СОДЕРЖАНИЕ

	ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………….2
1	ОПИСАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ……5
2	СОСТАВЛЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ……………………...6
3	СОСТАВЛЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ И СОСТАВЛЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ ЭЛЕМЕНТОВ САУ……………………………7
3.1	Механическая часть электропривода…………………………………….7
3.2	Электродвигатель постоянного тока……………………………………..9
3.3	Тиристорный преобразователь…………………………………………...14
3.4	Датчики цепей обратных связей………………………………………….21
3.4.1	Датчик тока ………………………………………………………………..21
3.4.2	Датчик скорости…………………………………………………………...21
3.5	Определение параметров регулятора…………………………………….23
4	СОСТАВЛЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ САУ……………………..25
5	ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ ПОЛНОЙ САУ……27
5.1	Определение ПФ по управлению………………………………………..27
5.2	Определение ПФ по возмущению……………………………………….30
6	ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ САУ…………………………..33
6.1	Определение коэффициента регулятора скорости КРС………………..33
6.2	Корневой метод исследования устойчивости………………………….34
6.3	Критерий устойчивости Гурвица……………………………………….38
6.4	Критерий устойчивости Михайлова……………………………………39
7	ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА САУ…………………………………42
8	МОДЕЛИРОВАНИЕ САУ………………………………………………45
9	ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПО КРИВЫМ ПП…49
	ВЫВОДЫ…………………………………………………………………50
	СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………..51 ПРИЛОЖЕНИЯ…………………………………………………………..52

ВВЕДЕНИЕ

Эффективность средств производства, которыми располагает человечество в значительной степени определяется совершенством способов получения энергии, необходимой для выполнения механической работы в производственных процессах.

Электрический привод рождался в недрах века пара и прошел большой путь от первого электропривода, предназначенного для перемещения небольшого катера, осуществленного в 1838 г. Б. С. Якоби, до современного автоматизированного электропривода, приводящего в движение бесчисленное множество рабочих машин и механизмов в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и в бытовой технике и автоматически управляющего их технологическими процессами. Благодаря возможности изготовления в широком диапазоне мощностей - от долей ватта до десятков тысяч киловатт - современный электропривод применяется в виде одиночного (индивидуального) электропривода каждого механизма, что упрощает кинематические цепи машин и облегчает задачу автоматического управления их рабочим процессом. В автоматизированном электроприводе нашли применение и получили дальнейшее развитие основные достижения современной техники управления - от новейших аппаратов до полупроводниковых приборов и управляющих вычислительных машин.

Электрический привод представляет собой электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочего органа машины и управления ее технологическим процессом. Он состоит из трех частей: электрического двигателя, осуществляющего электромеханическое преобразование энергии, механической части, передающей механическую энергию рабочему органу машины, и системы управления, обеспечивающей оптимальное по тем или иным критериям управление технологическим процессом. Характеристики двигателя и возможности системы управления определяют производительность механизма, точность выполнения технологических операций, динамические нагрузки механического оборудования и ряд других факторов. С другой стороны, нагрузка механической части привода, условия движения ее связанных масс, точность передач и т. п. оказывают влияние на условия работы двигателя и системы управления, поэтому электрические и механические элементы электропривода образуют единую электромеханическую систему, составные части которой находятся в тесном взаимодействии.

В данной расчетно-графической работе нужно выполнить расчет САР главного электропривода блюминга.

Блюминг, блуминг (англ. blooming), высокопроизводительный прокатный стан для обжатия стального слитка большого поперечного сечения массой до 12 т и более в блюм. В некоторых случаях Б. используют для прокатки слябов, а также фасонных заготовок (для крупных двутавровых балок, швеллеров и др.). На металлургических заводах Б. - промежуточное звено между сталеплавильными и прокатными цехами, выпускающими готовую продукцию. На современных заводах Б. работают совместно с непрерывными заготовочными станами, которые выпускают заготовку для сортовых станов. Б. характеризуются диаметром прокатных валков и бывают: одноклетьевые - а) реверсивные двухвалковые (табл.) - дуо (большие 1300-1150 мм, средние 900-950 мм и малые 800-750 мм) и б) нереверсивные трёхвалковые - трио 800-750 мм; сдвоенные - из двух последовательно расположенных дуо-клетей с валками 1150 мм в первой клети и 1000-900 мм во второй; непрерывные - несколько последовательно расположенных нереверсивных дуо-клетей с валками 1000-800 мм; специализированные (одноклетьевые реверсивные дуо) 1400-1350 мм, выпускающие заготовку для широкополочных балок.

Рисунок 1 - Макет блюминга: 1 - рабочая клеть; 2 - верхний валок;

3 - манипулятор; 4 - универсальные шпиндели; 5 - главные электродвигатели.

В состав собственно Б. (рис. 1) входят: рабочая клеть, главные электродвигатели и механизмы, приводящие во вращение валки прокатные. В состав цеха Б. входит вспомогательное оборудование (мостовые краны, слитковоз, манипуляторы, рольганги) и ножницы для резки выходящей из Б. полосы на заданные размеры. Рабочая клеть состоит из двух литых стальных станин массой 60-105 т, которые установлены на фундаментных плитах (плитовинах); прокатных стальных валков и их подшипников; механизма для установки (подъёма и опускания) верхнего валка и механизма для смены валков. Общая высота рабочей клети достигает 7-9 м. Вращение валков осуществляется от электродвигателей постоянного тока. У Б. с одним электродвигателем механизм, передающий вращение валкам, состоит из двух универсальных шпинделей, шестерённой клети с двумя зубчатыми шестернями, расположенными одна над другой, и коренной муфты, сцепляющей ведущий вал шестерни с валом электродвигателя. В Б. новейшей конструкции каждый рабочий валок снабжен индивидуальным электродвигателем; в этом случае вращение передаётся через приводные валы и универсальные шпиндели.

Технологический процесс прокатки в цехе Б. включает: доставку горячих слитков на ж.-д.(железнодорожный) платформах из сталеплавильного цеха к нагревательным колодцам; подогрев слитков в вертикальном положении в колодцах до 1100-1300°С (в зависимости от марки стали); подачу каждого слитка на слитковозе к приёмному рольгангу Б.; взвешивание слитка и подачу его по рольгангу к валкам Б.; прокатку в 11-19 проходов с обжатием 40-120 мм за проход и промежуточными кантовками на 90° (кантовка и перемещение полосы вдоль валков осуществляются манипулятором). У полосы, поступившей к ножницам, отрезают передний и задний концы, после чего она передаётся на заготовочные станы. Часто полосу разрезают на отдельные блюмы или слябы, которые передаются рольгангами на холодильник и затем на склад. Выход блюмов и слябов составляет 85-90% массы слитков. Применение Б. позволяет разливать сталь в крупные слитки, повышает качество готового проката.

Система автоматического управления Б. состоит из отдельных автономных систем, каждая из которых управляет одним или группой механизмов и связана с вычислительной машиной. Последняя получает информацию о работе механизмов в процессе продвижения слитка вдоль линии Б. и корректирует параметры технологического процесса и режимы работы оборудования. Это позволяет увеличить производительность Б. за счёт более рационального ведения прокатки и обеспечивает лучшее качество металла; полнее используется оборудование Б.

1. Описание схемы электрической принципиальной

Рисунок 1.1 - Схема САУ подчинённого регулирования

Любая электромеханическая система состоит из электрической и механической части. К механической части относится ротор двигателя, приводной вал и рабочий орган (РО), непосредственно выполняющий работу в технологическом процессе. К электрической части относят якорную цепь, ТП, регуляторы координат, датчики координат и т. п.

2. Составление функциональной схемы

Для упрощения понятия принципа работы любого устройства применяют функциональную схему. Она наглядно отображает взаимосвязь между отдельными элементами САУ. Данная САУ имеет следующую функциональную схему (прил.2):

Рисунок 2.1 – Функциональная схема САУ

ЗУ – задающее устройство – задает необходимое значение напряжения на вход САУ.

РС, РТ – в роли регуляторов скорости и тока выступают усилители напряжения.

ТП – тиристорный преобразователь: состоит из СИФУ - системы импульсно-фазового регулирования, а так же из СЧ – силовой части. В зависимости от импульсов, приходящих от СИФУ, на выходе преобразователя формируется напряжение, пропорциональное усиленному напряжению задания.

М – двигатель постоянного тока. Является приводным для блюминга. Состоит из: ОЯ – обмотки якоря, ЭМП – электромеханического преобразователя, РД – вращающейся части (ротор двигателя). Так же у двигателя имеется внутренняя обратная связь ПЭДС – противоЭДС.

РМ – рабочая машина (рабочий механизм).

ДС – датчик скорости. Для организации обратной связи по скорости выступает тахогенератор.

ДТ – датчик тока. Для организации обратной связи по току выступает шунт.

3. Составление дифференциальных уравнений, определение передаточных функций и составление структурных схем элементов сау

3.1 Механическая часть электропривода

В качестве механической части для системы с подчинённым регулированием выступает якорь ДПТ и механическая часть исполнительного механизма.

Механическая часть ЭМС по классической теории ЭП, как объект управления, описывается двухмассовой расчетной схемой (рис. 3.1.1).

Рисунок 3.1.1 – Двухмассовая расчетная схема

Уравнения динамики механической части ЭМС имеют вид:

Определим неизвестные параметры механической части:

В операторной форме система уравнений (1) будет иметь вид:

Перепишем (7) в удобном для построения структурной схемы виде:

Структурная схема механической части ЭП приведена на рисунке 3.1.2:

Рисунок 3.1.2 – Структурная схема двухмассовой упругой механической части ЭП

 Введём следующие обобщенные параметры двухмассовой упругой системы:

 - соотношение масс;

 - резонансная частота системы.

Передаточная функция упругой механической части ЭП по управляющему воздействию, при выходной переменной ω₂, имеет следующий вид:

     

Если С₁₂ имеет очень большое значение, то можно сделать допущение, что С₁₂→∞, следовательно, и Ω₁₂→∞. Так же может быть еще такое условие: J₁»J₂. При сочетании параметров с данными условиями используется представление механической части в виде жесткого приведенного звена, поэтому в нашем случае для большинства расчетов структурная схема механической части ЭП будет иметь следующий вид:

Рисунок 3.1.3 - Структурная схема механической части ЭП с жесткими механическими связями.

3.2 Электродвигатель постоянного тока

Двигатель постоянного тока с независимым возбуждением описывается более сложными зависимостями, чем тиристорные преобразователи или датчики. Для описания ДПТ со сложными математическими зависимостями параметров используют классическую методику и такие допущения:

1) магнитный поток неизменный;

2) система абсолютно жесткая, то есть двигатель имеет одну степень свободы;

3) масса вращающихся частей постоянна;

4) реакция якоря скомпенсирована;

5) зависимость угловой скорости вращения вала двигателя от напряжения якоря U_Я линейная;

6) температура обмоток не изменяется;

7) регулирование скорости осуществляется посредством изменения напряжения на зажимах обмотки якоря;

8) в качестве движущей координаты принимается ток якоря;

Схемы включения и замещения ДПТ с НВ приведены на рис. 3.2.1:

Рисунок 3.2.1 - Схемы включения и замещения ДПТ с НВ

Составим функциональную схему ДПТ с НВ:

Рисунок 3.2.2 - Функциональная схема ДПТ с НВ

На основании таблицы типовых динамических звеньев каждый элемент ФС идентифицируем динамическим звеном – затем запишем передаточные функции каждого звена:

Составим структурную схему ДПТ с НВ:

Рисунок 3.2.3 - Структурная схема ДПТ с НВ

Запишем уравнение по II закону Кирхгофа для контура схемы замещения, а так же составим дифференциальное уравнение для ДПТ с НВ:

Найдем передаточную функцию ДПТ с НВ по управлению:

Изобразим структурную схему ДПТ с НВ в виде структурной алгоритмической схемы.

Передаточная функция для электрической части двигателя останется та же:

Определим передаточную функцию механической части двигателя:

I_Я – I_С = I_ДИН – динамическая составляющая тока якоря двигателя.

Рисунок 3.2.4 - Структурная алгоритмическая схема ДПТ с НВ

По структурной алгоритмической схеме получим передаточные функции:

а) по задающему воздействию

К_Д = 1/КФ – коэффициент передачи электродвигателя по напряжению якоря;

б) по возмущающему воздействию

К₁ = R_ЯЦ/КФ – коэффициент передачи электродвигателя по статическому току.

Так как двигатель питается от управляемого преобразователя, то при дальнейших расчетах в данной САУ мы будет использовать следующее:

R_ЯЦ – сопротивление якорной цепи двигателя;

R_К – эквивалентное сопротивление, учитывающее коммутацию вентилей;

R_Т – сопротивление обмоток трансформатора анодной цепи;

R_Д – сопротивление сглаживающего реактора (дросселя);

R_Щ – сопротивление щеточного контакта;

L_ЯЦ – индуктивность якорной цепи двигателя;

L_Д – индуктивность сглаживающего реактора (дросселя);

L_Т – индуктивность рассеяния анодного трансформатора УП.

Изобразим структурные схемы ДТП с НВ, которые мы будем использовать для дальнейших расчетов САУ:

Рисунок 3.2.5 - Структурная схема ДПТ с НВ (для расчетов САУ)

Рисунок 3.2.6 - Структурная алгоритмическая схема ДПТ с НВ (для расчетов САУ)

Выполним расчёт параметров ДПТ с НВ с помощью Mathcad:

3.3 Тиристорный преобразователь

Для согласования напряжения на входе вентильного преобразователя устанавливается трансформаторная группа – элемент гальванической развязки сетевого напряжения и напряжения преобразовательного устройств, дополнительный элемент защиты полупроводниковых приборов.

На основе данных электродвигателя для трехфазной мостовой схемы выпрямления выполним расчет параметров трансформатора. Параметры двигателя: U_н = U_d = 930 В; I_н = I_d = 10200 А; m = 6.

Вторичное фазное напряжение составит:

где: – коэффициент запаса по напряжению;

– коэффициент, учитывающий падение напряжения в вентилях.

где: – коэффициент схемы выпрямления.

Ток во вторичной обмотке (с учетом, что , ):

Типовую (расчетную) мощность трансформатора определим по формуле:

где: .

По величине мощности выбираем трансформатор согласно каталожным данным: тип ТРДТП - 25000/10Р-У2, S = 17980 кВА; U_1Л = 10 кВ; U_2Л = 0,95 кВ; 19000 Вт; = 140000 Вт; = 7 %, =0,7%.

Рассчитаем вторичное фазное напряжение и ток данного трансформатора:

Ток в первичной обмотке найдем по формуле:

где: – коэффициент трансформации трансформатора.

Определим активное и реактивное сопротивления трансформатора:

Сопротивление дросселя составит:

Найдем эквивалентное сопротивление, учитывающее коммутацию вентилей:

Найдем эквивалентное сопротивление цепи преобразования:

Рассчитаем вторичное фазное напряжение и ток:

Сравним расчётные и номинальные параметры трансформатора:

Из сравнения расчетных и номинальных параметров трансформатора видно, что трансформатор удовлетворяет условиям по напряжению и току.

Определим необходимую индуктивность для вычисления сглаживающего дроселя:

где: – (по кривым, где m=6 и α=90°);

Определим индуктивность трансформатора:

Определим индуктивность сглаживающего дроселя:

Определим сопротивление щёточного контакта:

Определим эквивалентное сопротивление и индуктивность:

Найдем электромагнитную и электромеханическую постоянные времени:

Тиристорный преобразователь как объект управления представляется инерционным звеном – нелинейным элементом, и состоит из таких частей:

– система импульсно-фазового управления (СИФУ);

– преобразующий элемент;

– элемент нагрузки.

Запишем уравнение, описывающее динамику процесса регулирования тиристорным преобразователем:

Структурная схема тиристорного преобразователя будет иметь следующий вид:

Рисунок 3.3.1 – Структурная схема тиристорного преобразователя

В задании дано:

Тµ=0,005 (с)

Е_2ф=565 (В)

m=6 (схема выпрямления 3х-фазная мостовая)

U_y от -20 до 20 (В)

U_оп=20 (В)

С помощью Mathcad выполним необходимые расчеты и определим коэффициент усиления тиристорного преобразователя К_ТП:

В задании дано, что постоянная тиристорного преобразователя равна Тµ=0,005 (с). Определим её расчетным методом:

а) определим постоянную времени

где f_c=50 Гц – частота питающей сети;

б) найдем некомпенсируемую постоянную времени, зависящюю от типа элементной базы САР:

в) Постоянную фильтра на входе управляющего напряжения принимаем:

Т_ф=0,0015 (с)

г) Определим постоянную тиристорного преобразователя:

Т_=Т_СИФУ+Т_Ф+=0,0017+0,0015+0,0017≈0,005(с).

3.4 Датчики цепей обратных связей

3.4.1 Датчик тока

В качестве датчика тока (ДТ) принимаем простейшее устройство – шунт. Шунт – устройство, которое позволяет электрическому току протекать в обход какого-либо участка схемы, обычно представляет собой низкоомный резистор, катушку или проводник. Шунт имеет малое сопротивление, поэтому рассеваемая на нем мощность в силовой цепи незначительна. Он ставится в цепь последовательно и параллельно ему снимают сигнал напряжения, который подается в систему управления.

Запишем уравнение, описывающее звено цепи обратной связи по току (при допущении безынерционности преобразователя):

Структурная схема датчика тока будет иметь следующий вид:

Рисунок 3.4.1.1 – Структурная схема датчика тока

Датчик тока в структурной схеме представляет собой усилительное звено с коэффициент обратной связи (ОС) К_ДТ, который определяется по формуле:

λ₁ = 2,2 – кратность перегрузки по току якоря двигателя.

3.4.2 Датчик скорости

Измерительными (чувствительными) элементами в цепи обратной связи по скорости могут быть тахогенераторы. Рассмотрим применение для системы автоматического регулирования тахогенератора постоянного тока. Рабочее напряжение на номинальной скорости вращения тахогенератора по величине превышает напряжение САР. Поэтому к обмотке якоря ТГ подключается потенциометр (делитель напряжения) для согласования величин напряжений. Выходной вал тахогенератора механическим способом соединяется с валом двигателя. Для гальванического разделения цепей тахогенератора и САР обычно используют датчик скорости - усилитель, с коэффициентом усиления К_дс, равным единице.

Выпишем уравнение, связывающее выходную и входную величины цепи обратной связи по скорости:

Так как в нашем задании фильтр отсутствует (ТФ=0), то есть преобразование механической величины в электрический сигнал безынерционно, то уравнение примет следующий вид:

Структурная схема датчика скорости будет иметь следующий вид:

Рисунок 3.4.2.1 – Структурная схема датчика тока

Найдем коэффициент обратной связи по скорости:

где: К_пот – коэффициент передачи потенциометра;

К_тг– коэффициент передачи тахогенератора;

К_дс – коэффициент передачи датчика скорости;

U_{дс max}=20 (В) – максимальное напряжение на выходе датчика скорости.

Принимаем максимальную угловую скорость как две номинальных:

3.5 Определение параметров регулятора

Исходные данные: К_ТП=73,688 ; Т_µ=0,005 ; R_Э=0,0068 ; Т_Э=0,0753 ; Т_М=0,0329 ; КФ=121,337 ; К_ДТ=0,000891 ; К_ДС=1,345.

Настройку регуляторов производим по принципу компенсации большей постоянной времени с настройкой на модульный или симметричный оптимум.

Рассмотрим контур регулирования тока:

Рисунок 3.5.1 – Структурная схема контура регулирования тока

По принципу компенсации большей постоянной времени, регулятор выбираем из условия, что Т_Э>Т_μ. Настройку осуществим по модульному оптимуму на ПИ-регулятор:

В дальнейшем, при расчетах и настройке САУ, контур регулирования тока можно представить инерционным звеном, параметры которого скорректированы, поскольку составляющая при р² будет очень мала и оказывать незначительное влияние. ПФ будет иметь следующий вид:

Рассмотрим контур регулирования скорости:

Рисунок 3.5.2 – Структурная схема контура регулирования скорости

По принципу компенсации большей постоянной времени, регулятор выбираем из условия, что Т_М>2Т_μ. Настройку осуществим по модульному оптимуму на П-регулятор:

Так же вычислим диапазон коэффициента регулятора скорости К_РС, при котором САУ будет устойчива. Мы это осуществим после определения передаточной функции полной САУ.