TPT automaatika eriala kursuse töö (1)

40
TALLINNA POLÜTEHNIKUM
Päevane osakond
ELEKTRIMOOTORI KIIRUSE AUTOMAATREGULEERIMISE SÜSTEEM
Kursusetöö
Õppeaine – automaatreguleerimine
Juhendaja : V. Purro
Konsultant : V. Purro
Tallinn 2010
Sisukord
KURSUSETÖÖ ÜLESANNE 3
KURSUSETÖÖ ANDMED 4
Sissejuhatus 6
2. SÜSTEEMI FUNKTSIONAALSKEEMI JA STRUKTUURSKEEMI KOOSTAMINE 8
2.1 SÜSTEEMI FUNKTSIONAALSKEEM 8
2.2 SÜSTEEMI STRUKTUURISKEEM 9
2.2.1. STRUKTUURSKEEMI OSADE TÜÜPLÜLID 9
2.2.2. Struktuurskeem 11
3. elementide ülekandefunktsiooni määramine ja süsteemi ülekandefunktsiooni koostamine 13
3.1. Elementide ülekandefunktsiooni määramine 13
3.1.1. Võimendi 13
3.1.2. Generaator 15
3.1.3. Elektrimootor 16
3.1.4. Tahhogeneraator 18
3.1.5. Kohalik tagasiside 18
3.2. Süsteemide ülekandefunktsiooni väljakirjutamine 19
4. süsteemi stabiilsuse määramine ja korrigeerimine 21
4.1. Kirjutame välja suletud süsteemi ülekandefunktsiooni 21
4.2. LASK ja LFSK koostamine, ning süsteemi stabiilsuse kontrollimine 22
5. Süsteemi siirdekarakteristiku konstrueerimine . 31
6. Kokkuvõtte 35
Lisad 38
Lisa 1: Printipaalskeem 38
Lisa 2: Funktsionaalskeem 39
Lisa 3: Struktuurskeem 40

KURSUSETÖÖ ÜLESANNE

Siia lisan ma koopia sellest ülesandest , st see leht mis Purro juures ära täitsite. Seega siia ei jää leht lihtsalt pealkirjaga. Pealkiri on mul sisukorra jaoks mille word ise teeb mul.

KURSUSETÖÖ ANDMED

EMV andmed:

Nimivõimsus PMV = 0,5 kW

Nimiväljundpinge UN = UEG = 110 V

Nimiankruvool IN = IAMV =4,35 A

Pöörlemiskiirus n = 2850 p/min

EMV ankrutakistus RAMV = 1,4 

EMV ankruinduktiivsus LAMV = 25 mH

Kompensatsioonmähise induktiivsus LKMV = 30 mH

Kompensatsioonmähise takistus RKMV = 1,3 

Juhtmähise induktiivsus LJ = 50 H

Juhtmähise takistus RJ = 2,6 k

Juhtmähise nimivool IJ = 10 mA
Generaatori andmed:

Nimivõimsus PG = 250 W

Nimipinge UG = 110 V

Nimivool IAG = 2,3 A

Nimiergutusvool IEG = 1,1 A

Ankrumahise induktiivsus LAG = 25 mH

Ankrumähise takistus RAG = 2.8 

Ergutusmähise induktiivsus LEG = 20 H

Ergutusmähise takistus REG = 56 

Ülekandetegur voolu järgi

Ülekandetegur pinge järgi
Täiturmootori andmed:

Nimipinge UN = 110 V

Nimiergutusvool IEM = 0,22 A

Nimiankruvool IAM = 2,08 A

Nimivõimsus PM = 172 W

Nimipöördemoment MK = 0,7 nm

Käivitusmoment MK = 1,25 nm

Inertsimoment J = 6,72 × 10-4

Ankrumähise takistus RAM = 2,0 

Ankrumähise induktiivsus LAM = 20 mH

Sissejuhatus

Automaatika on teaduse ja tehnika haru, mis hõlmab juhtimissüsteemi ehitamise teooriat ja printsiipe inimese osalemiseta. Automaatselt toimivate seadmete kasutusele võttu seadmete juhimiseks nimetatakse automatiseerimiseks. Ükskõik missuguse protsessi automatiseerimine teeb inimese osalemise peaaegu olematuks. Inimese ülesandeks jääb süsteemi käivitamine, kontrollimine ja samuti häälestamine. Automatiseerimine on kaasaegse tehnika arengu üks peamisi suundi. Automatiseerimine suurendab tööviljakust ja tagab töö ohtuse, alandab toodangu omahinda ning vähendab tootmises hõivatud inimeste arvu. Samuti suureneb materjalide kokkuhoid ja pareneb toodangu kvaliteet. Samas nõuab automatiseerimine suuri kulutusi kallitele seadmetele ja teenindava personali koolitamisele. Automatiseerimist on kolme liiki: osaline, täielik ja kompleksne.
Osalise automatiseerimise korral on haaratud üks või mitu tehnoloogilist protsessi, kusjuures inimese osaks on ühe või mitme tehnoloogilise protsessi jälgimine. Osalise automatiseerimise korral on inimtöö osatähtsus märgatavalt oluline.
Täieliku automatiseerimise korral on inimese töö nulli lähedane – ta ainult jälgib kuidas süsteem töötab. Sellel automatiseerimise tasemel on automatiseeritud kõik tootmislõigus, kaasaarvatud tootmise juhtimine, kus kasutatakse arvuteid ja muid automaatseadmeid.
Kompleksse automatiseerimise korral on inimtöö osatähtsus viidud miinimumini ja tootmisprotsess toimub automaatselt juhtides eri objekte ning koordineerides nende tööd. Kaasajal kasutatakse automaatikat praktiliselt kõikjal ja inimene ei saa enam ilma automatiseerimiseta hakkama ning selle tõttu püütakse luua õha ökonoomsemaid ja täiuslikumaid automaatsüsteeme.
Antud kursuse projektis vaadeldakse alalisvoolu mootori kiiruse automaat reguleerimise süsteemi.
1. Süsteemi printsipiaalskeem (põhimõtteskeem) ja kirjeldus
Joonis 1.1
Antud põhimõtteskeem koosneb Leonardajamist ja tema juhtimisalatest. Leonardajami osadeks on generaator (G) ja elektrimootor (M), koos oma mähiste takistustustega (RAG ja RAM). Ülejäänud skeem on juhtimisahel.
Printsipiaal skeemil näeme elektrimootorit M, mille kiirust me püüame hoida konstantsena. Selle jaoks on paigaldatud mootori võllile tahhogeneraator (TG), mille abil muundatakse mootori pöörlemiskiirus tagasiside pingeks (Uts). Seda pinget võrreldakse etteande - või ülesandepingega (Uü). Ülesandepinge seatakse reostaadiga Rs. Uü määrab ära mootori pöörlemiskiiruse Uü-Uts liidetakse pingega U0. See on kohalik tagasiside, mis parandab süsteemi dünaamilisi omadusi. β on kohaliku tagasiside ja γ on peatagasiside kolfitsendid, mis seatakse reostaatidega R0 ja RT. Nende pingete summaarne pinge suunatakse elektronvõimendisse (EV). EV-st läheb võimendatud signaal edasi elektromasinvõimendi (EMV) ühele ergutusmähistele. Selle tulemusel antakse tekitatakse generaatoris (G) lisa magnetvoog, mis on siis kas positiivse väärtusega või negatiivse väärtusega generaatori jaoks. See mõjutab generaatori väljundpinget, mis on toitepingeks mootorile.
Selleks et mootor peatada, peame viima reostaadi Rs asendisse 0. Kui vähendada reostaadi takistus, siis selle tulemusel hakkab pöörlema TG indutseerides pinge Uts tagasiside ahelas.
Olukorras kus mootori koormus muutub ja tema pöörlemiskiirus on vaja hoida püsivana. Kui koormus suureneb siis väheneb ka Uts ja kondensaatoril C0 tekib pingelang, selle tulemusena antakse R0- lile negatiivne impulss . TG-le tulevad pinged liidetakse ja EV väljundpinge suureneb, mis toob kaasa EMV väljundpinge suurenemise. See suurendab generaatori ergutuspinget, ning seeläbi suureneb ka mootori toitepinge. See aitab tasakaalustada jõumomenti uuel koormusel , et hoida konstantset pöörlemis kiirust.

2. SÜSTEEMI FUNKTSIONAALSKEEMI JA STRUKTUURSKEEMI KOOSTAMINE

2.1 SÜSTEEMI FUNKTSIONAALSKEEM

Printsipiaalskeemi alusel saame koostada funktsionaalse struktuurskeemi. Struktuurskeemi eeliseks on see, et on võimalik paremini kirjeldada süsteemisiseseid seoseid erinevate struktuuri elementide ja muutuvate parameetrite vahel. Järgnevalt koostame struktuuriskeemi elektrimootori kiiruse automaatreguleerimise süsteemile:
V - võimendi koosnedes elektron - ja elektromasinvõmendist
O - objekt, antud juhul mootor
KTS - kohaliktagasiside
TE - täiturmehhanism, antud juhul generaator
K - koormus, mis koormab mootorit
TSE - peatagasiside ahel
Joonis 2.1

2.2 SÜSTEEMI STRUKTUURISKEEM

Süsteemi struktuurskeem koostatakse põhimõtteskeemi järgi. Struktuurskeemi koostamiseks on vaja ära määratleda süsteemi erinevate osade tüübid.

2.2.1. STRUKTUURSKEEMI OSADE TÜÜPLÜLID

1. tüüplüli:
Sellesse tüüplülisse kuuluvad EV ja EMV. See võtab enda alla elektronvõimendi EV-st tuleva tagasisidede signaalidest kuni EMV ergutusmähisteni. EV on inertsivaba element, seega tema ei ole hetkel meile oluline. Selle eest omavad inertsi EMV ergutusmähised. Inerts on võrdelises seoses mähiste induktiivsusega, mis tingibki inertsi. Sisend signaal XS=US ja väljundsignaal XV=Eq. Signaalide operaatorivormi alusel on võimalik leida meil antud lüli ülekandefunktsioon.
2. tüüplüli:
Sellesse lülisse kuuluvad EMV teine pool st ankrumähis koos harjadega, mis on ühendatud ankrulamellidega. Teda iseloomustavad signaalide järgnevad seosed: XS=US ja XV=Eq.
3. tüüplüli:
Antud lülisse kuulub generaator G, kus XS=UEG ja XV=EG. Kui me ei arvestaks EMV ankrutakistust RAMV, siis UEG=Ed. Lüli inertsuse tagab generaatori ergutusmähis WE, mida toidetakse EMV väljundpingega, induktiivsusega LEG, mis tagab ka selle lüli inertsuse. Generaatori ergutusmähise induktiivsusele lisandub veel EMV ankrumähise ja harjade vaheline induktiivsus, mis on lülitatud jadamisi. Kuna ta on kordades väiksem, kui LEG, siis võime ta arvestamata jätta.
4. tüüplüli:
Sellesse lülisse võime arvestada elektrimootori, mis on antud süsteemis reguleerimisobjektiks. Tema matemaatilised signaalide kirjeldused on järgnevad: XS=UG, juhul kui ei arvestata RAG, siis UG=EG, XV=n. n tähistab mootoripöörlemiskiirust. Mootori inertsus tuleneb tema ankrumähise induktiivsusest LAM. Temaga jadamisi on lülitatud generaatori G ankrumähis LAG. Reeglina on mootori ankrumähise induktiivsus LAM võrdne generaatori ankrumähise induktiivsusega LAG. Elektrimootori eripäraks on veel see, et tema mass ja mõõtmed mõjutavad tema inertsust. Sellest tulenevalt määravad ära elektrimootori inertsuse nii elektriline- kui ka mehaaniline inertsus, mis on jadamisi.
5. tüüplüli:
Selle tüüplüli alla kuulub kohalik tagaside. R0 ja C0 moodustavad diferentseeriva lüli. Tema signaalide funktsioonideks oleksid: XS=UG, juhul kui me ei arvesta RAG, siis UG=EG, ning XV=U0.
6. tüüplüli:
Siia kuulub kohalik tagasiside osa tahhogeneraator TG. Tahhogeneraator on antud süsteemis kiiruseanduriks. Tema signaalide funktsioonideks on: XS=n ja XV=UTS. n on mootori pöörlemiskiirus. Antud lülis puudub inertsus, ning see teeb temast proportsionaalse lüli.

2.2.2. Struktuurskeem

L W1(P)
ähtudes eelnevatest punktidest ja süsteemi kirjeldusest, saame koostada järgneva struktuuriskeemi:
n(P)
F(P)
TG
Joonis 2.2
Ülekande funktsiooniga lüli Q(p) iseloomustab häire või pinge mõju reguleeritavale parameetrile. Leides W(p) võib struktuuriskeemi lihtsustada.
W1(P)
WM(P)
WTS(P)
Joonis 2.3
Q(P)
Üü(P)-UTS(P)
Uü(P)
EG(P)
n1(P) +

3. elementide ülekandefunktsiooni määramine ja süsteemi ülekandefunktsiooni koostamine

3.1. Elementide ülekandefunktsiooni määramine

3.1.1. Võimendi

Antud süsteemi korral koosneb võimendi kahest elemendist, nendeks on elektronvõimendi EV ja elektronmasinvõimendi EMV.
Ij(p) – Juhtmähise nimivool
Us(p) - Summaarpinge
Kuna meil on summaarpinge teadmata, siis , kui on leitud , siis koostame selle alusel LASK-i ( logaritmilise amplituud sagedus karakteristiku) ja LFSK (logaritmilise faasi sagedus karakteristiku), korrigeeritud LASK-i, korrigeerides S-i väärtust. Tavaliselt S-i suurus leitakse stabiilsuse tingimustes, ning seatakse paika EV käsitsi reguleerimise teel. EMV võimendusteguri saame leida järgneva valemiga:
UEG(p) – EMV nimiväljundpinge
Ij(p) – Juhtmähise nimivool
EMV kaheastmeline ehitus tingib kaks eraldi asuvat inertset lüli mis on jadamisi:
Esimene aste selles ahelas K1:
Eq - EMV poolt genereeritud pinge
Ij - Juhtmähise nimivool
Teine aste antud ahelas K2:
UEG - EMV nimiväljundpinge
Eq - EMV väljundpinge
Järgnevalt leiame EMV-le ülekande teguri.
KEMV - Kogu EMV võimendustegur
K1 - EMV esimese astme võimendustegur
K2 - EMV teiese astme võimendustegur
Me ei tea esimese astme ülekande tegurit ega ka teise astme oma täpselt, seega leiame EMV kogu ülekande teguri lihtsustatud valemiga:
Järgnevalt leiame juhtmähis ajakonstandi.
Lj - Juhtmähise induktiivsus
RJ - Juhtmähise takistus
Leiame EMV põhiahela konstandi.
LAMV - EMV ankrutakistus
LAMV - EMV ankruinduktiivsu
Nüüd leiame ülekandefunktsiooni EMV-le.
Kuna me ei tea summaarpinget, siis sellisel juhul me oletame . Peale
leidmist koostame LASK (logaritmilise amplituud sagedus karakteristiku) ja LFSK (logaritmilise faasi sagedus karakteristiku). LFSK-s viime sisse korrektsiooni S-i muutmise läbi. Üldiselt leitakse S stabiilses olukorras ja reguleeritakse paika käsitsi.
Leiame kogu võimendi ülekandefunktsiooni.

3.1.2. Generaator

Generaator on inertne lüli kuna tema ergutusmähis on induktiivsete omadustega.
KEG - Generaatori ülekandetegur
TEG - Generaatori ajakonstant
Leiame generaatori ülekandeteguri.
UG - Generaatori nimipinge
IUG - Nimiergutusvool
REG - Ergutusmähise takistus
Leiame ergutusmähise ajakonstant.
LEG - Generaatori ergutusmähise induktiivsus
REG - Generaatori ergutusmähise takistus
Koostame generaatori ülekande funktsiooni.

3.1.3. Elektrimootor

Elektrimootor koosneb kahest inertsest lülist. Üks on elektriline ajakonstant ja mehhaaniline ajakonstant, mis tuleneb ankru mehaanilisest inertsist.
UG - Generaatori nimi väljund pinge
TE - Generaatori elektriline ajakonstant
TEM - Mootori elektromehhaaniline ajakonstant, mis on tingitud ankru kabariitidest
- Mootori nurkkiirus
Esmalt leiame generaatori elektrilise ajakonstandi.
LAM - Mootori ankrumähise induktiivsus
RAM - Mootori ankrumähise takistus
Järgnevalt leiame mootori elektromehhaanilise ajakonstandi.
LAG - Generaatori ankrumähise induktiivsus
RAG - Generaatori ankrumähise takistus
Järgnevalt leiame mootori nurkkiiruse, mootori teguri leidmiseks.
n - Mootori pöörlemiskiirus
Järgnevalt leiame mootori teguri.
Un - Mootori nimipinge
RAM - Ankrumähise takistus
IAM - Mootori nimiankruvool
- Mootori nurkkiirus
Järgnevalt leiame pöörlemismomendi võllil.
PM - Mootori nimivõimsus kW
n - Mootori pöörlemiskiirus
Leiame mootori momendi teguri.
MK - Mootori moment
IAM - Mootori nimiankruvool
Järgnevalt leiame mootori elektomehhaanilise ajakonstandi.
J - Ankru inertsusmoment
RAM - Ankrumähise takistus
CE - Mootori kiiruse tegur
CM - Mootori momendi tegur ehk momendi kolfitsent
Järgnevalt leiame mootori ülekandeteguri pinge järgi.
Leiame mootori ülekandefunktsiooni.

3.1.4. Tahhogeneraator

Leiame ülekande funktsiooni tahhogeneraatorile TG. Tahhogeneraator on proportsionaalne lüli.
järg,

3.1.5. Kohalik tagasiside

Antud element on differentseeriv lüli. Seega leiame kohalikule tagasisidele tagasiside ülekande funktsiooni.

3.2. Süsteemide ülekandefunktsiooni väljakirjutamine

Nüüd me kirjutame välja süsteemi ülekande funktsiooni.
S on elektron võimendi võimendustegur ehk ülekandetegur, mis võib muutuda kui joonestame LASK-i ja LFSK. Olukorras kui joonisel selgub, et meie poolt valitud võimendustegur pole piisav siis tuleb seda korrigeerida. Peatagaside muutub kui koostame lahtise süsteemi ülekandefunktsiooni ja koostame nende kohta LASK ja LFSK. Juhul kui seal selgub, et peatagaside koefitsent pole piisav, peame seda korrigeerima.

4. süsteemi stabiilsuse määramine ja korrigeerimine

4.1. Kirjutame välja suletud süsteemi ülekandefunktsiooni

Süsteemi ülekande funktsioon iseloomustab süsteemi ja selle alusel saame hiljem koostada LASK ja LFSK graafikud. Nende pealt on näha kas süsteem on stabiilne, ning kui ei ole siis saane nende abil süsteemi stabiliseerida. Seega koostame süsteemi ülekande funktsiooni W1.

4.2. LASK ja LFSK koostamine, ning süsteemi stabiilsuse kontrollimine

Järgnevalt leiame karakteristikute koostamiseks vajalikud suurused.
Nüüd arvutame välja LFSK punktid ja ehitame karakteristiku.
SIIA LASK
SIIA JOON 2. – FASK
Selgus,et süsteem on ebastabiilne. Selleks,et süsteem stabiliseerida viime sisse korrektsiooni.
Algülesandes oli määratud peatagasiside väärtus. Selle kontrollimiseks koostasime LASK ja LFSK.
Leidsime, et etteantud peatagasiside ei olnud piisav, nüüd viime korrigeeritud peatagasisideme lahtise süsteemi ülekandefunktsiooni.
Nüüd koostame suletud süsteemi ülekandefunktsiooni, arvestades eelnevalt tehtud korrektsiooni.
SIIA JOON 3
SIIA JOON 4.

5. Süsteemi siirdekarakteristiku konstrueerimine.

Alguses võtame suletud süsteemi ülekandefunktsiooni.
Asendame p-jw –ga saa
w
0
479,87
1
30,13
2
6,95
3
2,39
4
0,77
5
0,02
6
-0,39
7
-0,63
8
-0,79
9
-0,90
10
-0,98
11
-1,04
12
-1,09
13
-1,12
15
-1,17
20
-1,23
25
-1,25
30
-1,23
40
-0,95
50
0,63
60
3,19
70
1,96
100
0,34
200
0,01
t
h1
h2
0
0
0,000
0
0
0,0000
0,000
1
0,401
0,286
192,4279
0,547
0, 0211
-0,684
2
0,732
0,571
351,2648
0,956
0,0421
-1,195
3
0,958
0,857
459,7155
1,154
0,0632
-1,443
4
1,06
1,143
508,6622
1,156
0,0842
-1,445
5
1,087
1,429
521,6187
1,053
0,1053
-1,316
6
1,065
1,714
511,0616
0,949
0,1263
-1,186
7
1,037
2,000
497,6252
0,911
0,1474
-1,139
8
1,021
2,286
489,9473
0,944
0, 1684
-1,180
9
1,018
2,571
488,5077
1,006
0, 1895
-1,258
10
1,019
2,857
488,9875
1,049
0,2105
-1,311
11
1,014
3,143
486,5882
1,048
0,2316
-1,310
12
1,004
3,429
481,7895
1,015
0,2526
-1,269
13
0,994
3,714
476,9908
0,98
0,2737
-1,225
14
0,988
4,000
474,1116
0,965
0,2947
-1,206
15
0,988
4,286
474,1116
0,978
0,3158
-1,223
16
0,991
4,571
475,5512
1,003
0,3368
-1,254
17
0,991
4,857
475,5512
1,02
0,3579
-1,275
18
0,995
5,143
477, 4707
1,02
0,3789
-1,275
19
0,995
5,429
477,4707
1,006
0,4000
-1,258
20
0,997
5,714
478,4304
0,991
0,4211
-1,239

6. Kokkuvõtte

Süsteemi korralikult tööle saamiseks, tuleb kontrollida tema stabiilsust. Seda teeme arvutuste abil. Kontrollisime EMV ja EV omavahelist stabiilsust, andes alguses EV mingi väärtuse ja pärast seda korigeerisime. Selleks koostasime LASK ja LFSK lahtise süsteemi.
Seda sama tegima ka kogu süsteemi korral, kui kontrollisime peatagsisisde piisavust ja stabiilsust, ning korigeerisime selle LASK ja LFSK abil, ning saime lõpptulemuseks vajalikud väärtuses süsteemi efektiivseks töötamiseks.
7. Resümee inglise keeles
Rheostatic starters, mechanical drives and rotating sets ( Leonard in particular) were originally used for starting electric motors and controlling their speed . Later electronic starters and drives came to the fore as modern, cost -effective, reliable and maintenance free solution for industrial applications. An electronic drive or starter is an energy converter, which modulates the electrical energy supplied to the motor . Electronic starters are used solely for asynchronous motors. They are a type of voltage controller. Variable speed drives ensure gradual acceleration and deacceleration and enable speed to be matched precisely to operating conditions. Controlled rectifier type variable speed drives are used to supply power to DC motors and frequency inverters are used for AC motors. Historycally, drives for DC motors appeared first . Reliable and cost effective frequency inverters appeared as a result of advances in power electronics and microelectronics. Modern frequency inverters can be used to supply power to standard asynchronous motors with performance levels similiar to those of the bes DC variable speed drives. Some manufacturers even offer asynchronous motors with electronic variable speed drives housed in a custom-made terminal box. This solution is designed for reduced power assemblies ( few kW).
The speed control cannot be a regulator at the same time. This is an aged system where control principle is developed on the basis of the electrical characteristics of motor, using power amplification but without a feedback loop and is described as „open loop“. The speed of the motor is defined by an input value, it may vary depending on disturbances (load, temperature, supply voltage). The speed range is defined in relation to nominal speed.
A Speed regulator is a controlled drive. It features a control system with power amplification and a feedback loop and is described as „closed loop“. The speed of the motor is defined by a reference value. That value is continiously compared with a feedback signal , which is an image of the motor speed. This signal is supplied either by a tachogenerator or by a pulse generator connected ate the motor shaft end. If a deviation is detected following speed variation , the values applied to the motor (voltage, frequency or both) are automatically corrected in order to restore the speed to its initial value.
Kasutatud kirjandus
L. kukk, kirjalike tööde koosstamise ja vormistamise juhend
Automaatreguleerimise konspekt
http://et.wikipedia.org/wiki/Automaatika
V. Purro, Kursuseprojekti juhend Elektromootori kiiruse automaatreguleerimissüsteem

Lisad

Lisa 1: Printipaalskeem

Lisa 2: Funktsionaalskeem

Lisa 3: Struktuurskeem