Міністерство освіти та науки України

Український державний університет залізничного транспорту

Кафедра: «Електротехніка, електромеханіка та електроенергетика»

Розробка системи автоматичного регулювання струму обмотки

збудження електричного двигуна постійної напруги

Пояснювальна записка та розрахунки

до курсової роботи з дисципліни

«Теорія автоматичного керування»

Перевірив к.т.н. ст.викладач

____________ Маслій А.С.

Розробив студент

групи 6-III-ЕТ

____________Балюк В.Ю.

2016

Зміст

1 Завдання для курсової роботи……………………………………………………. …..3

2 Розробка структурної схеми системи регулювання струму збудження…...…… …5

2.1 Розрахунок передавальної функції обмотки збудження …………………………5

2.2 Визначення передавальної функції тиристорного випрямляча ………………….7

2.3 Розрахунок передавальної функції датчика струму ………………………….....14

3 Розрахунок частотних характеристик ……………………………………………...15

4 Синтез передавальної функції та електричної схеми регулятора ………………...24

5 Аналіз сталого та перехідного процесів спроектованої системи

регулювання ………………………………………………………………………….27

6 Синтез електронної схеми регулятора ……………………………………………..31

Список літератури ……………………………………………………………………..

1 Завдання для курсової роботи

Темою курсової роботи є розробка системи автоматичного регулювання струму обмотки збудження електричного двигуна постійної напруги. Електрична схема об’єкта регулювання показана на рис. 1.1

Рисунок 1.1 – Електрична схема об’єкта регулювання

Живлення обмотки збудження (ОЗ) двигуна (Д) виконується від керованого тиристорного випрямляча (ТВ). Контроль за струмом обмотки збудження здійснюється за допомогою шунта (R_ш), сигнал якого підсилюється датчиком струму (ДС). Датчик струму також забезпечує гальванічне розділення між силовою частиною схеми і регулятором (Р), що поліпшує завадозахищенність схеми та безпеку її обслуговування.

На рис. 1.2 наведена блок схема датчика струму, побудованого по типу МДМ. Модулятор М виконує амплітудно-імпульсну модуляцію сигналу шунта U_ш. Промодульований сигнал через трансформатор Т подається на інформаційний вхід демодулятора ДМ. За допомогою трансформатора забезпечується гальванічне розділення вхідного та вихідного кіл датчика. Демодулятор відновлює форму сигналу U_ш і може виконувати його підсилення. Керування процесами модуляції та демодуляції виконує генератор Г.

Рисунок 1.2 – Блок схема датчика струму

Вихідні дані для розрахунку наведені в табл. 1.1.

Таблиця 1.1 – Вихідні дані

В	В	В	Гн	Ом	Гц	с•10-3	%	%	с•10-3
100	0-10	5	0,1	10	1000	3	1	10	20	6

2 Розробка структурної схеми системи регулювання струму збудження

Для розрахунку контуру регулювання струму виконують побудову його структурної схеми.

Структурна схема вміщує в собі такі елементи: вузол порівняння, регулятор струму, тиристорний випрямляч, обмотка збудження, датчик струму. Елементи на структурній схемі позначають прямокутниками, в які вписують назви передавальних функцій у вигляді перетворення Лапласа.

Рисунок 2.1 – Структурна схема

2.1 Розрахунок передавальної функції обмотки збудження

Для виводу передавальної функції обмотки збудження користуються її еквівалентною схемою, що міститься на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 – Еквівалентна схема

На рисунку:

- активна складова частина опору обмотки;

- індуктивність обмотки;

- опір шунта.

Передавальну функцію одержують, як відношення вихідного та вхідного опорів схеми, записаних у формі перетворення Лапласа:

; (2.1)

; (2.2)

де стала часу обмотки збудження:

; (2.3)

Коефіцієнт підсилення обмотки збудження:

; (2.4)

Остаточно передавальна функція обмотки збудження має вигляд:

(2.5)

2.2 Визначення передавальної функції тиристорного випрямляча

Живлення обмотки збудження виконує тиристорний випрямляч з лінійним опорним сигналом в системі імпульсно-фазового керування. Опорний сигнал одержують інтегруванням постійної напруги за половину періода напруги, живлячої тиристорний випрямляч мережі. Для n-го інтервала роботи тиристорного випрямляча опорний сигнал характеризується такою аналітичною залежністю:

, (2.6)

де : - стала часу інтегратора;

- змінна кутова координата;

, (2.7)

при Гц

с^-1

Кут відкривання чергового тиристора випрямляча визначається умовою перемкнення компаратора в системі керування:

. (2.8)

На підставі цієї умови функціональна залежність кута керування тиристорного випрямляча від величини напруги , має вигляд:

, (2.9)

де

. (2.10)

Середнє значення вихідної напруги тиристорного випрямляча при :

, (2.11)

В

В керованому режимі середнє значення вихідної напруги для неперервного струму в колі обмотки збудження:

, (2.12)

де: - кут керування тиристорного вимикача;

- середнє значення вихідної напруги тиристорного випрямляча при куті керування .

Тоді вираз регулювальної характеристики тиристорного випрямляча буде:

. (2.13)

Неперервний струм в обмотці збудження зберігається до кута регулювання тиристорного випрямляча, величина якого:

; (2.14)

де

; (2.15)

с^-1

⁰

Визначаємо максимальну величину управляючої напруги U_y для режиму неперервного струму в обмотці збудження:

, (2.16)

В

Розрахунок регулювальної характеристики тиристорного випрямляча виконується за формулою підстановкою від нуля до . Результати розрахунків записуємо в табл. 2.1 і будуємо графік регулювальної характеристики (рис. 2.3)

Таблиця 2.1 – Розрахунок регулювальної характеристики

,В	,град	,В
0	0	135,0
0,5	9	133,3
1	18	128,4
1,5	27	120,3
2	36	109,2
2,5	45	95,5
3	54	79,4
3,5	63	61,3
4	72	41,7
4,5	81	21,1
4,949	89	2,16

В усталеному режимі на обмотку збудження для забезпечення струму від тиристорного випрямляча подається напруга :

, (2.17)

де

; (2.18)

А

Рисунок 2.3 – Регулювальна характеристика

Тоді за формулою (2.17) напруга буде дорівнювати:

; (2.19)

В

Використовуючи формули (2.13) та (2.19), розраховують величину напруги управління в усталеному режимі

; (2.20)

В

Лінеаризуємо регулювальну характеристику методом дотичної в робочій точці. В результаті виконання цієї операції тиристорний випрямляч замінюється лінійним елементом з коефіцієнтом підсилення:

; (2.21)

; (2.22)

Одержану величину коефіцієнта підсилення перевіряють графічним методом:

, (2.23)

де відхилення задають симетрично .

В силу неповної керованості (дискретності) тиристорного випрямляча реакція його вхідної напруги на зміну вхідного управляючого сигналу має запізнення, яке приблизно дорівнює половині інтервалу дискретності:

(2.24)

де m – пульсність випрямляча

Для поліпшення завадостійкості тиристорного випрямляча на вході його системи імпульсно-фазового управління встановлюють фільтруючу ланку з передавальною функцією:

; (2.25)

Враховуючи особливості динамічних параметрів на структурній схемі системи автоматичного регулювання, передавальна функція керованого випрямляча має вигляд передавальної функції аперіодичної ланки із запізненням:

; (2.26)

Шунт для вимірювання струму обмотки збудження вибирають згідно з його величиною А. Шунт вибираємо на струм А. Опір шунта розрахуємо як:

; (2.27)

Ом

Розрахувавши опір шунта за формулою (2.27), тепер можна знайти сталу часу та коефіцієнт підсилення обмотки збудження відповідно за формулами (2.3) та (2.4) і записати передавальну функцію обмотки збудження за формулою (2.5):

с