СОДЕРЖАНИЕ

4

5

5

5

7

7

8

9

10

11

12

12

14

14

14

16

17

18

19

22

24

Введение 4

1 Техническое задание 5

1.1 Цель курсовой работы 5

1.2 Описание функциональной схемы 5

2 Выбор элементов и расчет их передаточных функций 7

2.1 Выбор микропроцессора 7

2.2 Выбор турбоустановки 8

2.3 Выбор аспирационной системы 9

2.4 Выбор ветрового колеса 10

2.5 Выбор редуктора 11

2.6 Выбор генератора 12

2.7 Выбор датчика 12

3 Расчет датчика обратной связи 14

3.1 Анализ выбранного датчика обратной связи на предмет устой-

чивости от внешних помех 14

3.2 Расчет основных элементов датчика 14

4 Расчет устойчивости системы 16

4.1 Построение переходного процесса системы 17

4.2 Построение амплитудно-частотной характеристики системы 18

4.3 Определение устойчивости системы с учетом микропроцессора 19

5 Построение логарифмической амплитудно-частотной характери-

стики и логарифмической фазо-частотной характеристики системы

и их анализ 22

6 Построение желаемой логарифмической амплитудно-частотной

характеристики системы 24

7 Расчет корректирующего устройства 27

Заключение 32

Список использованных источников 33

ВВЕДЕНИЕ

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для автономного энергообеспечения. Известен ветродвигатель, содержащий опору, ветровое колесо, работающее в горизонтальной плоскости, вертикальный вал, опущенный вниз до соединительной муфты. Недостатком ветродвигателя является то, что ветродвигатель необходимо монтировать на некоторой высоте значительно затрудняет ее техническое обслуживание. В сложных природно-климатических условиях данный тип ветродвигателя невозможно конструктивно защитить от эффекта гололеда, куржи, обильных снегопадов, перегрева под палящим солнцем, проливных дождей, которые негативно воздействуют на конструкцию. Ветродвигатель экономически нецелесообразно использовать в географических местностях со среднегодовыми маломощными ветрами ввиду низкого кпд. Целью изобретения является создание безопасных условий обслуживающему персоналу и для территориально-географических областей, имеющих маломощные среднегодовые ветра, предусмотрен принудительный направленный турбоподдув сжатой струи воздуха на рабочую зону горизонтального ветроколеса для увеличения кпд ветроэнергетической установки, делающей экономически окупаемой. Поставленная цель достигается тем, что опоры имеют защитную крышу, ветровое колесо закреплено в опорных подшипниках, верхний в крыше, нижний в потолке генераторного здания вертикальный вал, опущенный вниз до соединительной муфты, а турбоустановка, установленная в закрытом здании генераторной, создает направленную струю сжатого воздуха при среднегодовых маломощных ветрах.

1 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1.1 Цель курсовой работы

Целью курсового проекта является автоматическое регулирование ветроэнергетической установки (ВЭУ). Необходимо обеспечить нормальные запасы устойчивости по амплитуде и по фазе. Также сис­тема должна иметь хорошие показатели качества. При необходимости систему следует скорректировать и вычислить параметры корректирующего устройства.

1.2 Описание функциональной схемы

Система автоматического регулирования ветроэнергетической установки состоит из различных блоков соединенных различными сигналами.

МП – микропроцессор; ТУ – турбоустановка; АС - аспирационная сеть;

ВК - ветрового колеса; Р – редуктор; Г – генератор; Д - датчика контроля

вращения; U_мп – разрешающее напряжение МП; V_в – относительная скорость

потока; V_в^р – относительная скорость потока под давлением; V – скорость

ветра; W – частота вращения вала ВК; W₁ – частота вращения вала Р;

I – электрический ток; U_д – разрешающее напряжение датчика.

Рисунок 1 – Структурная схема ВЭУ

Управление в системе происходит следующим образом.

При отсутствии ветровых потоков ветровое колесо прекращает свое вращение и датчик контроля вращения вырабатывает сигнал (U_д), поступающий на микропроцессор. Сигнал с микропроцессора (управляющее напряжение U_мп) поступает на турбоустановку, которая всасывает воздух и подает его в аспирационную сеть. Там он сжимается под давлением и выбрасывается на ветровое колесо, что приводит его в движение.

Вращение ветрового колеса фиксируется с помощью датчика контроля вращения, который вырабатывает соответствующий электрический сигнал (U_д) зависимости наличия или отсутствия вращения. Микропроцессор ана­лизирует сигнал с датчика и по заданному алгоритму управления вырабатывает сигнал управления (U_мп).

Технические данные системы:

номинальная мощность, Вт 5000;

максимальная мощность, Вт 6500;

начальная скорость ветра, м/с 2;

номинальная скорость ветра, м/с 10;

полный вес ветроэнергетической установки, кг 1200;

среднегодовая выработка энергии, кВт/ч 12500;

время регулирования, с 10;

перерегулирование, % 30;

колебательность 1,5.

2 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ И РАСЧЕТ ИХ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ

2.1 Выбор микропроцессора

Выбран однокристальный микропроцессор серии КР180ВМ1А. Это шестнадцатиразрядный МП, имеющий фиксированный набор (систему) команд, совместимую с системой команд ЭВМ. Микропроцессор осуществляет обработку как внешних, так и внутренних прерываний и организует обмен информацией между микропроцессором и внешними устройствами. В микропроцессоре используются регистровая, косвенно-регистровая, автоинкрементная, косвенно-автоинкрементная, индексная, косвенно-индексная виды адресаций.

Технические данные микропроцессора КР180ВМ1А:

напряжение питания, В 5;

разрядность обрабатываемых команд 16;

число выполняемых команд 68;

максимальный объем памяти, Кбайт 64;

число уровней прерывания 4;

быстродействие, тыс. оп./с 500;

максимальная тактовая частота, МГц 4,7;

максимальный потребляемый ток, А 0,24;

максимальная потребляемая мощность, Вт 1,2.

Передаточная функция микропроцессора:

Рассмотрим микроконтроллер, как импульсный элемент системы и рассчитаем его дискретность.

Входы и выходы микроконтроллера аналоговые с дискретностью 8 бит ÷ ÷256, при напряжении 0 ÷ 5 вольт на входах и выходах, микроконтроллер выдает разрешение 0,02 В, что позволяет судить о его практической линейности по входам и выходам. Частота кварца микроконтроллера равна 4,7 МГц. Один такт программы выполняется примерно за 1/5 частоты микроконтроллера, соответственно за 1 минуту производится 2,510⁷тактов программы.

Предположим, что для принятия решения микроконтроллера необходимо 10³тактов программы, тогда дискретность микроконтроллера равна 2,510⁴тактов в минуту, а период дискретности Т=1,610^-5минуты, что сводит к нулю дискретность микроконтроллера по времени, так как наибольшая постоянная времени равна 1мин.

Делаем вывод, что микроконтроллер не вносит помех в рассматриваемую систему, и его передаточную функцию принимаем за единицу.

W_мп (р) = 1 (1)

2. Выбор турбоустановки

Для рассматриваемой системы была подобрана турбоустановка ТУП - 5С. Турбоустановки 5С применяются для забора воздушных масс с примесями и без, циркуляции воздуха в различных конструкциях, в промышленном и гражданском строительстве, при эксплуатации энергетических и производственных объектов.

Технические характеристики:

расход, м³/час 5000;

масса, кг 170;

высота, мм 1650;

ширина , мм 670;

диаметр на входе, мм 250;

диаметр на выходе, мм 170;

давление, Па 40500;

относительная скорость потока, м/с 2. Передаточная функция турбоустановки в общем виде:

, (2)

где к - коэффициент передачи; Т - время запаздывания.

Коэффициент усиления передаточной функции турбоустановки рассчитывается по формуле:

, (3)

где Q_ном - номинальное значение расхода;Р_ном - номинальное значение давления.

Получим коэффициент усиления:

Время запаздывания передаточной функции турбоустановки рассчитывается по формуле:

, (4)

где σ_отн - относительная скорость потока; D₂ - выходной диаметр;

D₁ - входной диаметр.

Получим время запаздывания:

Передаточная функция турбоустановки примет вид:

(5)

2.3 Выбор аспирационной системы

Аспирационная установка (преобразователь давления) предназначен для изменения избыточного давления нейтральных газообразных сред (газа, пара), и для непрерывной пропорциональной подачи газообразной среды под давлением, используемой в качестве входного сигнала во вторичной аппаратуре. Выбираем аспирационную установку АС – 500, так как она более всего подходит для сопряжения с турбоустановкой.

Технические характеристики:

верхние пределы преобразования давления, МПа 10;

предельное давление перегрузки, МПа 15;

пределы допускаемой основной погрешности, % ±0,5;

габаритные размеры, мм 1200×750;

масса, кг 120.

Передаточная функция аспирационной установки в общем виде:

(6)

Коэффициент усиления передаточной функции определяется как отношение максимального выходного параметра к максимальному входному:

(7)

где P_{max вых} – верхний предел преобразования давления;

V_n – относительная скорость потока.

Получим коэффициент усиления:

Передаточная функция аспирационной установки примет вид:

(8)

2.4 Выбор ветрового колеса

Ветровое колесо представляет собой пятипозиционный (5 лопастей) пропеллер.

Технические характеристики:

количество лопастей, шт. 5;

диаметр ротора ветроэнергетической установки, м 5;

материал лопастей FRP;

защита от ураганного ветра AutoFurl.

Пропеллер имеет передаточную функцию принимаемую в виде безъинерционного звена:

, (9)

где - коэффициент передачи пропеллера.

Коэффициент передачи пропеллера определяется как отношение максимального выходного параметра к максимальному входному:

, (10)

где ω_вр – частота вращения пропеллера; V_в – скорость ветра.

Получим коэффициент передачи:

Передаточная функция аспирационной установки примет вид:

(11)

2.5 Выбор редуктора

Редукторы РМ цилиндрические двухступенчатые горизонтальные общемашиностроительного применения типов РМ-25; РМ-35; PM-40; РМ-50; Р65; РМ-75; РМ-85; PM-100, предназначены для увеличения крутящего момента и уменьшения частоты вращения.

Выбираем редуктор РМ - 40:

- РМ - тип редуктора; - 400 - общее межосевое расстояние (мм); - 25 - номинальное передаточное число; - 520 - крутящий момент (Н м); - 2 - категория размещения.

Передаточной функцией редуктора является обратная величина его передаточному отношению (i).

(12)

Передаточная функция редуктора примет вид:

(13)

2.6 Выбор генератора

Выбираем генератор MECC ALTE AR1/130 интенсивно эксплуатируется в тяжелых условиях, на строительных площадках, для резервного электроснабжения при кратковременных пропаданиях основной сети. Генератор переменного тока - тип синхронный.

Технические характеристики:

максимальная мощность, кВт 4;

напряжение, В 230;

частота, Гц 50;

количество фаз 1;

система возбуждении безщеточная;

постоянная времени обмотки возбуждения 0,02;

коэффициент усиления по напряжению 0,5;

уровень шума, Дб 74;

вес, кг 164.

Передаточной функцией генератора в общем виде:

(14)

где k_у– коэффициент усиления генератора по напряжению;

T_об– постоянная времени обмотки возбуждения.

Передаточная функция генератора примет вид:

(15)

2.7 Выбор датчика

Выбираем тахометрический датчик исходя из параметров измерения скорости вращения лопастей. Скорость потока воздуха составляет примерно 10 м/с, выбираем датчик скорости протока сильфонного типа РПС – 15.

Технические характеристики:

изменение параметров регулирования скорости, м/с 0÷25;

максимальный выходной ток, мА 200;

Максимальное выходное напряжение, в 5;

ширина проточной части, мм 15.

Передаточная функция датчика имеет вид:

, (16)

где k_д – коэффициент усиления передачи по напряжению.

, (17)

где U_maxвых – максимальное выходное напряжение; ω_вр – частота вращения вала.

Таким образом коэффициент передачи по напряжению датчика равен:

Передаточная функция датчика примет вид:

(18)

3 Расчет датчика обратной связи

3.1 Анализ выбранного датчика обратной связи на предмет устойчивости от внешних помех Выбранный датчик обратной связи имеет следующие условия эксплуатации:

вибрационные нагрузки, Гц 1000;

ускорение, м/с² 100;

ударные нагрузки, м/с² 350;

относительная влажность воздуха при 40⁰С, % 98.

Датчик будет устойчив от внешних помех, так как конструкцией этого датчика предусмотрена защита от внешних помех: специальный облегченный материал и ребристая поверхность, для более тщательного охлаждения.

3.2 Расчет основных элементов датчика

Произведем выбор основных данных и расчет:

Выбор основных размеров.

_к = 0,3 мм – толщина корпуса.

D_н = D_к - 2_к = 3,2 – 2 · 0,03 = 3,14 см – наружный диаметр пакета (19)

магнитопровода.

Допустимые электромагнитные нагрузки.

- максимальная индуктивность в железе (20)

магнитопровода.

- допустимая плотность тока.

Выбираем обмотку генераторную, имеющая К_об1=1.

Определим геометрические размеры вырубки магнитопровода.

Диаметр расточки:

, (21)

где p = 1 – число полюсов (1 катушка);

j = 3,1 – коэффициент из таблицы кривизны для _с = 0,3.

Высота спинки статора:

(22)

Ширина зубца:

= 0,06 см , (23)

где z =12 – число зубьев.

Диаметр паза:

=0,11 см (24)

Воздушный зазор.

= 0,056 см (25)

где k_ =1,12 – коэффициент, учитывающий воздушное сопротивление;

k_ =1 – коэффициент, учитывающий магнитное сопротивление.

Произведя расчет датчика обратной связи (тахометрического датчика) мы определили его основные электрические и конструктивные параметры, которые позволяют судить о его стабильной работоспособности в данной системе, а также о его легкости монтажа на валу, совершающего вращательные движения.

4 РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМЫ

Для анализа системы найдем общую передаточную функцию всей системы без учета МП.

Рисунок 2 – Структурная схема ВЭУ без МП

После преобразования общая передаточная функция примет вид:

(26)

Найдем передаточную функцию с помощью программы MathCad:

Устойчивость системы будем проверять по критерию Гурвица. Рассмотрим характеристическое уравнение системы:

A₀=0,0083, А₁=0,435, А₂=1,0000768, А₃=0,0384.

Необходимое условие устойчивости выполнено - все коэффициенты характеристического уравнения положительные.

Составим определители Гурвица:

(29)

(28)

(27)

Так как все определители Гурвица положительные, то выполняется и достаточное условие устойчивости системы. Таким образом, полученная система устойчива.

4.1 Построение переходного процесса системы

Для наглядного отображения свойств рассматриваемой системы построим переходный процесс, воспользовавшись обратным преобразованием Лапласа от передаточной функции системы с помощью MathCad.

(30)

t, c

Рисунок 3 – Переходный процесс системы ВЭУ

По графику переходного процесса определим показатели качества системы:

Время регулирования (время переходного процесса) – это величина, характеризующая быстродействие системы и определяется величиной

h_уст = 3,85·10^-4

∆= 5%(h_уст) = 0,1925·10^-4

Время регулирования t_р = 3 с

Перерегулирование (максимальная динамическая ошибка) – это величина, которая определяет максимальное отклонение регулируемой величины от установившегося значения, выраженная в процентах:

(31)

Время нарастания регулируемой величины – это время от момента приложения сигнала до того момента, когда выходная величина достигнет своего максимального значения. Время достижения максимума t_н = 3 с.

4.2 Построение амплитудно-частотной характеристики системы

Построим график АЧХ для определения колебательности системы:

(32)

(33)

По характеру переходного процесса системы можно судить об устойчивости системы, так как через определенное время регулирования t_р = 3 система приходит в установившееся состояние. А также для данной системы величина перерегулирования  =0%, что соответствует правильности подборки элементов, в соответствии с начальными условиями системы  =30%.

По графику АЧХ определим косвенные показатели качества системы:

Начальная амплитуда и максимальная амплитуда – А(0)=А_мах=0,1;

Резонансная частота – при ней амплитуда является максимальной W_р=0;

w, Гц

Рисунок 4 – Амплитудно-частотная характеристика системы ВЭУ

Полоса пропускания – обеспечивает наилучшее прохождение сигнала

при этом граничная частота – w₁=0,0045;

Показатель колебательности – .

4.3 Определение устойчивости системы с учетом микропроцессора

Для перехода от линейной неизменяемой части системы к системе с микропроцессором необходимо провести z-преобразование передаточной функции системы.

Для проверки устойчивости системы после перехода от линейной к дискретной форме применим критерий Шур-Кона. Данный критерий позволяет анализировать устойчивость дискретных и дискретно-непрерывных систем по характеристическому уравнению замкнутой системы, записанному в форме z - преобразования.

Осуществим z – преобразование, применяя таблицу соответствия изображений.

Рисунок 5 – Структурная схема системы ВЭУ с учетом МП

Предварительно умножив на фиксатор нулевого порядка , получим следующее изображение передаточной функции замкнутой дискретной системы:

, (34)

где -отношение разрядностей ЦАП и АЦП;

T₀ =10^-2 c – время опроса датчика.

Разложим передаточную функцию на простейшие дроби:

(35)

По таблицам соответствия для z-преобразования получим:

(36)

Проведя вычисления, получим:

(37)

Проведем следующее преобразование:

Характеристическое уравнение системы примет вид:

(38)

(39)

(40)

(41)

Согласно данному критерию, если значение определителя с нечетным индексом меньше нуля, а с четным больше нуля, то система является устойчивой. Данное условие выполняется, следовательно, система в дискретной форме является устойчивой.

5 ПОСТРОЕНИЕ ЛОГАРИФМИЧЕСКОЙ АМПЛИТУДО-ЧАСТОТНОЙ

ХАРАКТЕРИСТИКИ И ЛОГАРИФМИЧЕСКОЙ ФАЗО-ЧАСТОТНОЙ ХА

РАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ И ИХ АНАЛИЗ

Для построения ЛАЧХ и ЛФЧХ обратимся к общей передаточной функции, так как нет необходимости размыкать систему.

Рисунок 6 – Структурная схема ВЭУ

Передаточная функция системы с учетом обратной связи:

Используем полученную передаточную функцию разомкнутой системы в форме z-преобразования из пункта 4:

Перейдем к псевдочастоте, сделав следующую подстановку:

, где (42)

Тогда, получим передаточную функцию дискретной системы:

(43)

Для построения логарифмических характеристик передаточную функцию разомкнутой системы представляют в виде произведения передаточных функций элементарных звеньев. В некоторых случаях передаточную функцию трудно представить в виде произведения простых сомножителей, тогда построение логарифмических характеристик производится вычислением модуля и аргумента частотной передаточной функции, при различных значениях частоты. Построим ЛАЧХ и ЛФЧХ, применив редактор Matlab.

>> w=tf([3.38 -500 35000 0 0],[19000 3*10^6 2*10^8 -205*10^7 15*10^10])

Transfer function:

3.38 s^4 - 500 s^3 + 35000 s^2

--------------------------------------------------------

19000 s^4 + 3e006 s^3 + 2e008 s^2 - 2.05e009 s + 1.5e011

>> margin(w), grid.

Рисунок 7 – ЛАЧХ и ЛФЧХ системы ВЭУ

Так как ЛАЧХ не пересекает прямую 0 и ни в одной точке не имеет значение -180º, то запасы устойчивости по фазе и амплитуде определить невозможно. Для приобретения запаса устойчивости и стабильной работы системы необходима коррекция.

6 ПОСТРОЕНИЕ ЖЕЛАЕМОЙ ЛОГАРИФМИЧЕСКОЙ АМПЛИТУДО-

ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ

Желаемой называют асимптотическую ЛАЧХ разомкнутой системы, имеющей желаемые (требуемые) статические и динамические свойства. Желаемая ЛАЧХ (ЖЛАЧХ) состоит из трех основных асимптот: низкочастотной, среднечастотной и высокочастотной. Среднечастотная асимптота ЛАЧХ разомкнутой системы и ее сопряжение с низкочастотной определяют динамические свойства системы – устойчивость и показатели качества переходной характеристики.

Поскольку в исходной САУ присутствует дискретное устройство, построение желаемой ЛАЧХ ведется методом запретной зоны.

Построение ЖЛАЧХ начинаем с построения запретной зоны, для чего необходимо найти координаты рабочей точки, для этого нужны следующие данные:

g'=0,2 (м/с) - скорость изменения входной величины,

g''=0,04 (м/с²) - ускорение изменения входной величины,

σ_д=0,05 - допустимая ошибка.

Найдем значение частоты рабочей точки:

с^-1. (44)

Найдем значение амплитуды рабочей точки:

(45)

Через полученные координаты проводим прямую с наклоном -20 дБ/дек. Эта прямая является верхней границей запретной зоны.

По номограмме Солодовникова и заданному в техническом задании желаемому перерегулированию % и времени регулированияc определяем частоту среза:

с^-1. (46)

Рисунок 8 – Номограмма Солодовникова

По заданной колебательности найдем среднечастотную область построения ЖЛАЧХ. Верхней границе этой области соответствует значениедБ, нижней –.

Наклон ЖЛАЧХ в среднечастотной области должен быть -20 дБ/дек, поэтому через частоту среза в этой области проводим прямую с наклоном -20 дБ/дек. В высокочастотной области ЖЛАЧХ сопрягается с исходной ЛАЧХ, то есть будет иметь такие же наклоны. Низкочастотная область не имеет большого значения, поэтому достраивается по исходной либо произвольно. Полученная ЖЛАЧХ показана на рисунке 9.

Для улучшения параметров системы в ней необходимо установить последовательное корректирующее устройство.

Построить ЛАЧХ корректирующего устройства можно с помощью графического вычитания реальной ЛАЧХ из желаемой ЛАЧХ, полученная ЛАЧХ корректирующего устройства показана на рисунке 9.

Рисунок 9 – ЛАЧХ, ЖЛАЧХ, ЛАЧХ корректирующего устройства