Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт - кибернетики

Направление – автоматизация технологических процессов и производств

Кафедра – интегральных компьютерных систем управления

Проектирование системы управления двигателем постоянного тока

Курсовая работа по дисциплине

«Автоматизированный электропривод нефтегазовой отрасли»

студентка гр. 8291 _____________ Т.В.Швадленко

(подпись)

руководитель _____________ С.В. Леонов

(подпись)

Томск – 2012

Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра_____________________

УТВЕРЖДАЮ:

Зав. кафедрой____________(И.О.Ф.)

^{(Подпись, дата)}

ЗАДАНИЕ

на выполнение курсовой работы

Студентке гр. 8291 Швадленко Татьяне Владимировне

1Тема курсовой работы _______________________________________________________

(утверждена приказом ректора (распоряжением декана) от____№___

2 Срок сдачи студентом готовой работы_____________________

3 Исходные данные к работе:

1. Нагрузочная диаграмма.

2. Исходные данные.

Момент:

М₁=4 Н·м

М₃=2 Н·м

М₅=3 Н·м

Время:

t₁=50 с

t₂=40 с

t₃=20 с

t₄=35 с

t₅=40 с

Угловая скорость:

ω₁=90 рад/с

ω₃=40 рад/с

ω₅=60 рад/с

Температура:

tº=20ºC

Напряжение питания:

U_пит=220В

Время переходного процесса:

t_пп=10% от интервала

Ошибка регулирования не больше 5%

Руководитель________________ (И.О.Ф.)

(подпись, дата)

Задание принял к исполнению

____________________________ (И.О.Ф.)

(подпись, дата)

Содержание

Введение 5

Двигатель серии 4ПНМ 112; 132; 160; 180 7

Двигатель серии 2ПН, 2ПБ 90; 100 7

Таким образом, выберем тахогенератор постоянного тока электромагнитного возбуждения ТГ-1 исходя из его характеристик: 11

Таблица 4 11

Таким образом, выберем микроконтроллер МК-51, аналог Intel 8051. 13

Введение

В данном курсовом проекте осуществляется подбор двигателя постоянного тока по параметрам, определённым исходя из условия задания. Двигатель обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работы технологической установки. Подбираются силовой драйвер, датчики скорости и тока, микроконтроллер, который позволяет управлять двигателем. Проведена настройка и синтез регулятора.

1. Выбор элементов, расчет параметров силовой части.

1. Двигатель постоянного тока.

Двигатель постоянного тока — электромеханический преобразователь электрической энергии в механическую, работающий от сети постоянного тока и имеющий в составе щёточно-коллекторный узел.

Принцип действия основан на взаимодействии основного магнитного поля главных полюсов, с магнитным полем якоря вращающегося внутри. Поле якоря образуется протекающим по обмотке постоянным электрическим током, который в каждый момент в зависимости от положения якоря протекает по одной из фаз.

Щеточно-коллекторный узел выполняет роль электромеханического преобразователя рода тока постоянного в переменный и коммутатора, подключая в текущий момент времени ту фазу обмотки якоря, который формирует максимальный электрический момент.

Исходя из заданных характеристик и диаграммы работы исполнительного механизма, на первом этапе необходимо определить продолжительность включенного состояния электропривода и среднюю мощность за цикл работы.

Рассчитаем среднеквадратичную мощность за цикл работы.

;

P1=M1·ω1=90·4=360 Вт;

P2=0 Вт;

P3=M3·ω3=40·2=80 Вт;

P4=0 Вт;

P5=M5·ω5=60·3=120 Вт;

Т_цикла=t₁+t₂+t₃+t₄+t₅=50+40+20+35+40=185 c;

Pск=197 Вт

ti=50+20+40=110 с

Определим продолжительность включения: ПВ= ,

тогда ПВ=60%

На основе определенных и ПВ производим выбор двигателя, при этом мощность двигателя

- коэффициент запаса

Выберем =1,3, тогда Р_д≥256,1 Вт

Таким образом, двигатель следует выбирать исходя из следующих параметров: Р_д≥256,1 Вт, ω_д.ном≥860 об/мин, М_д.ном≥4Н·м.

_{Проведем анализ нескольких двигателей, которые могли бы подойти.}

• Двигатель серии ДП-165 (24, 48, 110В)

Режим работы – кратковременный S2 с длительностью периода неизменной нагрузки 4 минуты по ГОСТ 183-74. Температура окружающей среды: УХЛ2 – от минус 60 до плюс 40°С; Т2 - от минус 10 до плюс 45°С. Повышенная относительная влажность воздуха УХЛ2 – 80%, Т2 – 100%.

Технические характеристики:

Напряжение питания	В	24	48	110
Потребляемый ток	А	не более 100	не более 44	не более 22
Момент на валу	Н*м	6,5
Мощность на валу	кВт	1,5
Частота вращения	об/мин	2200±200
Масса двигателя	кг	33

Из таблицы видно, что частота вращения в 2 раза двигателя превышает необходимую. Это может оказаться слишком большим запасом.

Двигатель серии 4ПНМ 112; 132; 160; 180

Предназначены для работы в автоматизированных электроприводах постоянного тока промышленного оборудования с питанием как от полупроводниковых преобразователях, так и от генераторов. Технические характеристики: Тип Мощность, кВт Номинальный момент, Н*м Частота вращения, мин-1 Напряжение якоря, В Ток якоря, А nnom nmax 4ПНМ112МО4 0,90 8,9 975 4000 110 12,3

У двигателя этого типа номинальная частота вращения близка к желаемой, есть большой запас скорости. Мощность двигателя почти в 3 раза больше желаемой, слишком мощный двигатель для желаемых характеристик.

Двигатель серии 2ПН, 2ПБ 90; 100

Электродвигатели предназначены для работы в широко регулируемых автоматизированных электроприводах постоянного тока. Высота оси вращения машин 90 и 100 мм . Степень защиты: машин 2ПН- IP 23, машин 2ПБ- IP 44. Конструктивное исполнение двигателей по способу монтажа- IM 1001, IM 1011, IM 1031, IM 1002, IM 3601, IM 3611, IM 3631.Генераторы- IM 1001.Номинальный режим работы машины- S 1. Направление движения – реверсивное. Технические характеристики: Тип двигателя N ном., кВт U ном., В Частота вращения об./мин 2ПН 90М 0,37 110/220 1500/1500

Двигатель этой серии больше всего подходит к желаемым характеристикам. Двигатель также является реверсивным, что так же не обходимо для заданной системы, т.к. необходимо вращение в противоположные стороны.

Запишем его полные характеристики:

Таблица 1.

Тип двигателя	2ПН100МУХЛ4
Номинальный момент, Н·м	4,8
Номинальная скорость, об/мин	1000
Номинальная мощность, кВт	0,5
Номинальный ток, А	3,4
Номинальное напряжение, В	220
КПД	66%
Момент пусковой, Н·м	9,6
Ток пусковой, А	6,9
Момент инерции якоря, кг·м2	0,004
Активное сопротивление якоря, Ом	7,05
Индуктивность обмотки якоря, мГн	222
Электромагнитная постоянная	0,31

Рис.1 Двигатель серии 2ПН

Подбор силового драйвера.

Необходимые условия для подбора силового драйвера:

Интеллектуальный силовой драйвер должен содержать встроенные элементы токовой, температурной защиты, защиты от перенапряжения, встроенные датчики тока и скорости. При этом:

• ток силового драйвера > 3,4 А,

• пусковой ток < предельного тока драйвера,

• напряжение силового драйвера ≥ 220В.

Наиболее подходящий по параметрам силовой модуль PS21562.

_{Рис. 2 силовой модуль PS21562.}

_{Характеристики драйвера:}

_{Таблица 2}

Максимальное напряжение, В		450 В
Максимальный выходный ток, A	I0	3,5 А
Пиковый выходной ток, А	Icp	10 А
Максимальная мощность, Вт	Pc	16,7 Вт
	Vco	1,6 В
	Vcc	1,5 В
Максимально допустимое напряжение питания	Vd	20 В
Время включения	ton	1,2 мкс
Время выключения	toff	1,3 мкс
	tcon	0,4 мкс
	tcoff	0,5 мкс
	tct	0,3 мкс
Максимальная частота ШИМ	Fмакс	20 кГц

Из таблицы 2 видно, что данный драйвер полностью удовлетворяет заданным параметрам, а именно

Напряжение драйвера больше напряжения двигателя 450В>220В

Максимальный ток драйвера больше тока пускового 10A>6,9A

Ток силового драйвера > номинального тока двигателя 3,5A>3,4A

Функциональная схема силового драйвера:

2. Выбор датчиков тока и скорости

Датчик тока предназначен для измерения тока якоря двигателя . Датчик подбирается таким образом, чтобы его максимальный ток был больше максимального тока двигателя. Из возможных датчиков был выбран датчик токаCSDA1AC.

Рис.3 Датчик тока серии CSDA1AC.

Таблица 3.

Выход цифровой Максимальный допустимый ток, А 7,5 Измерение постоянного тока, Iпост Да Измерение переменного тока, Iпер. Да Ток включения, А 3,5 Ток выключения, А 0,6 Напряжение питания, В 6-16 Время отклика, мс 100 Рабочая температура, С -25...85 Максимальный выходной ток, мА 20 Корпус CSD

Коэффициент обратной связи датчика равен:

,

где – максимальный выходной ток датчика.– опорное напряжение.

В качестве датчика скорости возьмем тахогенератор.

Тахогенераторы постоянного тока - небольшие коллекторные машины, поток возбуждения в которых создаётся постоянным магнитом или независимой обмоткой.

Выберем, подходящий для нашего двигателя тахогенератор, исходя из следующих условий: максимальная скорость тахогенератора > номинальной скорости двигателя.