Миноp 0 - поpядка .000099454

Перечень ссылок

Приложение А

ВВЕДЕНИЕ

Увеличение объема промышленного производства, повышение производительности и улучшение условий труда при постоянном росте уровня техники безопасности являются одними из важнейших задач, решение которых без широкой автоматизации производства невозможно. В основе расчета и функционирования автоматических систем лежит теория автоматического управления.

Управление охватывает большой круг задач. Под автоматическим управлением понимается автоматическое осуществление совокупности воздействий, выбранных из ряда возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с заданным алгоритмом без непосредственного участия человека.

Объектами управления могут быть машины, механизмы, комплексы, добычные и подготовительные участки, передвижные и стационарные установки, конвейерные линии, коллективы людей, производственные предприятия.

В зависимости от объектов и задач управления системы управления могут быть различными от самых простых систем автоматического регулирования (САР), поддерживающие неизменной какую-либо величину, до сложных, содержащих десятки вычислительных машин и решающих задачи оптимального управления множеством объектов.

Одним из направлений технического процесса в угольной промышленности является широкое внедрение систем и средств автоматизации очистного оборудования и в первую очередь, очистных комбайнов.

Автоматизация режимов работы очистных комбайнов обеспечивает повышение их производительности благодаря более полному использованию энергетических возможностей электропривода и уменьшенную вероятности «опрокидывания» электродвигателей, повышение долговечности из-за снижения перегрузок электродвигателя и механической части и их аварийности; улучшает условия и повышает безопасность труда, так как позволяет обслуживающему персоналу выполнять основные операции, находясь в закрепленном пространстве на свежей струе, что входит в задачи и цель данной курсовой работы.

1 ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА И ОПИСАНИЕ ЕЁ РАБОТЫ

Принципиальная электрическая схема представлена на рисунке 1.1 и является системой регулирования угловой скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором со статическим тиристорным преобразователем частоты в цепи статора.

Схема регулирования включает: магнитный усилитель с глубокой отрицательной обратной связью и обмоткой смещения системы управления инвертором, блока питания, АД с короткозамкнутым ротором, подающей части с редуктором, цепями обратной связью с трансформаторами тока и тахогенератора с выпрямительными мостами, задающим потенциометром.

1. 1 Основные блоки схемы

Магнитный усилитель (МУ) предназначен для поддержания постоянства соотношения между нагрузкой двигателя и скоростью подачи комбайна и усиления сигнала на входе станции управления инвертора (СУИ).

Станция управления инверторами предназначена для преобразования постоянного тока в трехфазное напряжение регулируемой частоты.

Блок питания предназначен для преобразования переменного тока с частотой 50 Гц в постоянный ток и регулирования выпрямленного напряжения. Он состоит из управляемого вентиля и станции управления вентилями (СУВ).

Рисунок 1.1- Схема электрическая принципиальная

Двигатель (Д) предназначен для воздействия на исполнительный орган и механизм подачи. В свою очередь, механизм подачи (МП) с редуктором (Р) предназначены для передачи угловой скорости ротора асинхронного двигателя к приводной звездочке комбайна. Исполнительный орган (ИО) предназначен для разрушения угольного массива. Режущая часть (РЧ) предназначена для передачи электродвижущего момента от двигателя к исполнительному органу для преодоления сил резания.

Датчик нагрузки (ДН) предназначен для преобразования тока нагрузки двигателя в пропорциональное напряжение постоянного тока. Датчик скорости (ДС) предназначен для преобразования скорости перемещения комбайна в напряжение постоянного тока. Взаимодействие блоков схемы и принцип действия системы состоит в следующем: регулирование угловой скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором осуществлено на базе схемы со статическим преобразователем частоты в цепи статора, выполненном на базе полупроводниковых элементов (тиристорных). Применение такой схемы позволяет повысить КПД установки, уменьшить ее габариты, а также увеличить быстродействие. При изменении частоты изменяется не только синхронная угловая скорость двигателя, но и его критический момент и критическое скольжение. Если пренебречь активным сопротивлением статора двигателя, формулы:

примут вид:

где f₁ – частота тока питающей сети;

m – число фаз;

ω₀ – угловая скорость магнитного поля статора:

ω ₀=2πf₁/P;

где Р – число пар полюсов двигателя;

U_ф – вектор фазного напряжения сети;

R₁, R₂, , Х₁, – активные и индуктивные сопротивления однофазной схемы замещения асинхронного двигателя.

Таким образом, с изменением частоты тока сети f₁ можно изменить перегрузочную способность двигателя. Cохранение постоянной перегрузочной способности двигателя осуществлено одновременным изменением величины подводимого напряжения и частоты тока по закону:

U/f₁=const. (1.1)

Вспомогательным звеном в поддержании постоянства соотношения (1.1) является магнитный усилитель, выход которого подан на вход станции управления инвертором. Величина тока нагрузки МУ определяется соотношением мощности, потребляемой асинхронным двигателем Р, и скорости подачи комбайна V_п. Изменение мощности отрабатывается цепью обратной связью МУ, а скорость подачи – цепью сравнения с управляющей обмотки w_у магнитного усилителя. Это соотношение предписывается по закону Р/V_п = min – минимальных затрат электроэнергии путем регулирования потенциометра П и резисторов Rз, R4 в цепи обмотки управления и обратной связи МУ.

Измерителями нагрузки и скорости подачи являются соответственно трансформаторы тока ТТ1 и ТТ2 и тахогенераторный датчик ТГ.

Работа схемы (рис.1.1) состоит в следующем. При изменении нагрузки на исполнительном органе меняется момент статический на валу режущей части и асинхронного двигателя, а следовательно, напряжение на резисторах Rз и R4; пропорциональное току нагрузки двигателя, измеряемое ТТ1 и ТТ2. Это значение напряжения, прикладываемое к обмотке обратной связи МУ, подмагничивая сердечники и индуктивное сопротивление рабочих обмоток Wр₁ уменьшается. Сигнал на входе СУИ изменяется, что приводит к изменению частоты тока, питающей двигатель сети. Преобразование питающего двигатель напряжения обеспечивает управляемый выпрямитель УВ.

Система СУИ производит преобразование постоянного тока в трехфазное напряжение регулируемой частоты, осуществляется переключением тиристоров в плечах моста с заданной частотой и в определенной последовательности. Неотъемлемой частью тиристорных инверторов являются устройства принудительной коммутации, предназначенные для запирания тиристоров. Роль последних выполняют коммутирующие конденсаторы С₁ - С₆. Диоды Д₁ - Д₆ защищают коммутирующие конденсаторы от нагрева, что позволяет уменьшить их емкость и устранить их влияние на напряжение нагрузки. Диоды Д₇ – Д₁₂ пропускают реактивно отстающий ток нагрузки в те моменты времени, когда знаки тока и момента не совпадают. При этом за счет самоиндукции или ЭДС обмотки статора соответствующий диод этого моста открывается и спадающим током нагрузки производит перезаряд конденсатора С₀. Дроссели L₁ и L₂ ограничивают ток разряда конденсаторов С₁ - С ₆. С изменением частоты f₁ и напряжения U_ф изменяется угловая скорость ротора двигателя ω_д. Напряжение на выходе тахогенератора, преобразованное в напряжение постоянного тока (мост В₁ и емкость С₂), пропорционально ω_д, включено встречно с задаваемым U_З. Разность рассогласования:

Е = U_ТГ - U_З

воздействует на обмотку управления W_y магнитного усилителя. В результате изменяется индуктивное сопротивление рабочих обмоток и происходит корректировка по скорости подачи. Последняя устанавливается в соответствии с моментом сопротивления М_с и соблюдением соотношения

Р / V_п = min

и заданных значений на потенциометре П и резисторах R₃, R₄.

Таким образом, частотное регулирование электропривода комбайна позволяет повысить его эксплуатационную производительность, обеспечить плавность и оптимальные зоны управления.

2 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА САУ И ЕЕ ОСОБЕННОСТИ

Построение функциональной схемы следует вести, базируясь на принципиальной схеме и группировании ее исполнительных элементов в функциональные блоки, разделенные входными и выходными сигналами, несущими смысловую информацию.

где УО – управляемый объект (горная машина):

АД – асинхронный двигатель;

РЧ – режущая часть;

ИО – исполнительный орган;

МП – механизм подачи с редуктором;

МУ – магнитный усилитель;

СУИ – станция управления инверторами;

ДС – датчик скорости перемещения;

ДН – датчик тока нагрузки.

Рисунок 2.1 – Функциональная схема САУ

В отличие от известных способов в регулировании нагрузки двигателя комбайна через управление скоростью перемещения, в приведенной функциональной схеме отсутствует гидравлическая подающая часть.

Эту функцию, наряду с процессом резания выполняет асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, управление которым осуществляется с учетом изменения, как нагрузки, так и скорости подачи комбайна.

3 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА САУ

Структурная схема САУ представляет собой совокупность звеньев, описываемых элементарными алгоритмами. Взаимодействие между звеньями определено в соответствии с направлением прохождения управляющего и возмущающего воздействия.

На рисунке 3.1 приведены следующие условные обозначения:

К_му (р), К_су (р), К_д (р), К_мп (р), К_ио (р), К_рч (р), К_дс (р), К_тт (р)-

передаточные функции магнитного усилителя, станции управления, двигателя комбайна, механизма подачи, исполнительного органа, режущей части, датчика тока нагрузки двигателя комбайна соответственно;

U_З – задающее значение угловой скорости ротора двигателя комбайна;

ε – ошибка рассогласования заданного и измеренного значения контролируемых величин;

Рисунок 3.1 – Структурная схема САУ

I_Н – ток в цепи нагрузки магнитного усилителя.

S – скольжение ротора относительно статора;

М – момент сопротивления на валу двигателя;

F – частота напряжения в цепи статора двигателя комбайна;

М_С – момент сопротивления на валу исполнительного органа;

V_П– скорость подачи (перемещения) двигателя;

ω_Д – угловая скорость вращения вала двигателя комбайна;

I – ток нагрузки двигателя комбайна;

U_V – напряжение пропорциональное скорости подачи комбайна;

U_I – напряжение пропорциональное току нагрузки комбайна;

U₃ – задающее значение угловой скорости ротора двигателя комбайна.

С целью получения передаточной функции САУ необходимо после замены коэффициентов передаточных функций звеньев их конкретными значениями преобразовать структуру, воспользовавшись правилами переноса точек съема сигналов и суммирования вокруг соответствующих звеньев.

4 ПЕРЕДАТОЧНАЯ И КОМПЛЕКСНО-ЧАСТОТНАЯ ФУНКЦИЯ САУ

4.1 Магнитный усилитель и его передаточная и частотная

характеристики

Магнитный усилитель можно представить инерционным звеном первого порядка с передаточной функцией вида:

,

где К_му – статический коэффициент усиления магнитного усилителя;

Т_му – постоянная времени магнитного усилителя.

Комплексно – частотная функция магнитного усилителя:

4.2 Станция управления инверторами и его передаточная и

комплексно – частотная функция

Станцию управления инверторами можно представить инерционным звеном первого порядка с передаточной функцией вида:

,

где К_су – статический коэффициент усиления СУИ;

Т_су – постоянная времени СУИ.

Комплексно – частотная функция СУИ выглядит так:

4.3 Задающий блок

Узел сравнения реализует алгоритм:

ε = U_з – (U_v + U_i) = U_з – (К_дс · V_п + К_дн · I_д).

В правильно спроектированной системе величина ε должна сводиться к нулю, т.е.:

U_з ≈ (К_дс · V_п + К_дн · I_д).

4.4 Тахогенератор и его передаточная и комплексно – частотная

функции

Передаточная функция тахогенератора имеет вид безынерционного звена:

Комплексно – частотная функция тахогенератора имеет вид:

4.5 Асинхронный двигатель и его передаточная и комплексно –

частотная функции

По управляющему действию передаточная и комплексно – передаточная функции асинхронного двигателя имеют вид:

т.е. отношение скольжения от статического момента:

(4.1)

где ω_с = 2π · f – угловая частота сети;

N - число пар полюсов электродвигателя (вариант задания);

J- момент инерции привода, приведенный к валу двигателя:

J = J_Р + J_РЧ,

где J_Р - момент инерции ротора электродвигателя, кГм² (вариант задания);

J_РЧ - суммарный момент инерции режущей части, кГм² .

Диапазон (1.2 ÷ 1.7) кГм², при этом должно быть соблюдено соотношение:

J_РЧ = (1.1 ÷ 1.25) J_Р;

Т_м – механическая постоянная времени:

где S_К – критическое скольжение (вариант задания);

М_К – максимальный критический вращающий момент электродвигателя, или момент, соответствующий критическому скольжению, Н·м (вариант задания);

К_д - статический коэффициент усиления асинхронного двигателя;

Т_э – электрическая постоянная времени:

(вариант задания).

Передаточная и комплексно-частотная функции по возмущающему воздействию формируется контуром обратной связи по статическому моменту и усилиям резания, возникающим на исполнительном органе. Для этого контура входным возмущающим воздействием можно считать М_С или пропорциональное ему значение тока нагрузки, т.е.:

(4.2)

Соотношение (4.2) можно получить из уравнения механической цепи двигателя с учетом его скольжения:

М(р) = -J · (ω/N) · p · S(p) + М_С(р),

или

М(jω) = -J · (ω/N) · jω· S(jω) + М_С(jω). (4.3)

В выражение (4.3) вместо S(jω) можно подставить (4.1) тогда:

. (4.4)

После замены оператора Лапласа на оператор Фурье выражение (4.4) примет вид: .

Полагая, что ток статора меняется пропорционально моменту, можно записать:

или, в комплексной форме:

,

где К_Д – коэффициент пропорциональности, можно найти из рабочих характеристик электродвигателя (вариант задания);

I – ток нагрузки электродвигателя, контроль которого производится с помощью трансформатора тока. Напряжение, пропорциональное току нагрузки:

U_I = К_ТТ ·I,

где К_ТТ – коэффициент усиления блока измерения тока нагрузки (вариант задания).

Полагая, что ток статора меняется пропорционально моменту, запишем:

4. 6 Режущая и подающая части угледобывающего комбайна

Передаточная и комплексно – частотная функции одинаковы:

К_РЧ (р) = К_РЧ (jω) = К_РЧ = 0.95,

где К_рч = 1/i,

i – передаточное число редуктора режущей части:

i = ω_Д / ω_ИО,

где ω_Д – угловая скорость вращения вала ротора электродвигателя:

ω_Д = ω₀ · (1– S_Н),

где ω₀ – синхронная угловая частота вращения вала ротора, для комбайнов ω₀ = 157 с^-1;

S_Н – номинальное скольжение ротора электродвигателя (вариант задания);

ω_ИО - угловая скорость вращения исполнительного органа:

ω_ИО = ,

где V_Р – скорость резания (вариант задания);

D_ИО – диаметр исполнительного органа комбайна (вариант задания).

4.7 Передаточная и комплексно – частотная функции исполнительного

органа

Скорость резания и усилия, возникающие на резцах исполнительного органа зависят, в основном, от сопротивляемости угла резанию А и скорости подачи на забой. Поэтому входом исполнительного органа, как звена САУ, можно считать скорость подачи (управляющее воздействие). Выход -скорость резания:

где К_иo = 5.0 – коэффициент передачи исполнительного органа (статический коэффициент усиления);

τ – параметр стружкообразования, т.е. время пробега резцом расстояния между двумя соседними положениями резцов в одной линии резания.

К_ИО = Р_Ч / V_П,

где Р_Ч – часовая мощность электродвигателя комбайна (вариант задания);

V_П – скорость подачи, соответствующая заданному значению сопротивляемости угля резанию А (вариант задания);

где m – число резцов в одной линии резания (вариант задания);

V_Р – скорость резания (вариант задания).

В целях упрощения расчета принимаем передаточную функцию исполнительного органа равной:

К_ИО(р) = К_ИО = 5.0.

4.8 Передаточная и комплексно – частотная функция механизма

перемещения с редуктором

Передаточную функцию можно описать сложным алгоритмом, описывающим движение комбайна.

Условно можно считать, что при цевочном зацеплении и цепном тяговом органе уравнение имеет вид:

где Т_мп – постоянная времени механизма перемещения:

Т_мп = ;

m – масса комбайна;

С_i – жесткость тягового органа;

β^! – коэффициент пропорциональности между толщиной среза угля и составляющей усилия подачи:

где К_f – коэффициент, учитывающий дополнительное сопротивление перемещению комбайна;

β₁ – коэффициент, определяемый параметрами резания одиночного резца.

С целью упрощения расчета всей системы следует принять:

К_мп(р) = К_мп =0.80, или в комплексной форме:

К_мп(jω) = К_мп =0.80,

где К_мп – статический коэффициент усиления механизма подачи с редуктором согласно задания.

4.9 Передаточная и комплексно – частотная функция системы

По структурной схеме (рис. 3.1) из-за наличия перекрестных связей не возможно получить непосредственно по ней передаточную функцию замкнутой системы. Поэтому необходимо по соответствующим правилам перенести точку съема сигнала с выхода на вход блока К_МП (р).

Затем заменим структуры с обратной связью и получим передаточные и комплексно – частотные функции системы в разомкнутом и замкнутом состояниях. Предварительно составим алгоритмы, полученные после структурных преобразований К_f (р), К_ОС (р).

Рисунок 4.1 – Структурная эквивалентная схема САУ

≈0.79.

Передаточная функция эквивалентной обратной связи равна:

К_ос(р) = К_тт(р) + К_тг(р) · К_мп(р) = 1+ 1 · 0.80 = 1.80.

Передаточная функция системы в разомкнутом состоянии равна:

К_му(р) · К_су(р) · К_д(р) · К_f(р) · К_ос(р)=

Комплексно-частотная функция системы в разомкнутом состоянии:

К_му(jω) · К_су(jω) · К_д(jω) · К_f(jω) · К_ос(jω). (4.5)

Передаточная функция системы в замкнутом состоянии:

(4.6)

Комплексно-частотная функция системы в замкнутом состоянии:

(4.7)

5АНАЛИЗ устойчивости и определение граничного

коэффициента усиления

5.1 Критерий Гурвица

Для предварительной оценки устойчивости САУ очистного комбайна применим наиболее распространенный из алгебраических критериев – метод Гурвица. Для этого необходимо найти характеристическое уравнение системы в замкнутом состоянии. Полином знаменателя в выражении (4.6), приравненный к нулю, и есть характеристическое уравнение системы:

D(p) = a₀ ·p⁴ + a₁ ·p³ + a₂ ·p² + a₃ ·p + a₄ = 0.

D(p) = 0.000099454p⁴ + 0.003685p³ + 0.04215p² + 0.15027p +1 = 0. (5.1)

Согласно критерию Гурвица, для того, чтобы система была устойчивой, необходимо, чтобы при а₀ > 0 были положительны все определители Гурвица: Δ₁ > 0, Δ₂ > 0, …, Δ_n > 0, где n – степень характеристического уравнения системы. В нашем случае n = 4, следовательно, должны быть положительны все определители Гурвица:

Δ₁ > а₁;

Вычисление всех диагональных миноров выполним с помощью прикладной программы TAU.EXE, а результаты ее работы представлены ниже:

Система устойчива

Миноp 0 - поpядка.000099454

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: