Разработка системы автоматического регулирования скорости электровоза постоянного тока

Разработка системы автоматического регулирования скорости электровоза постоянного тока

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра «Электрическая тяга»

Курсовой проект

по дисциплине

«Теория автоматического управления»

Выполнил

студент группы АТЭ-413

Шария В.Б

Проверил

Чучин А.А

Москва - 2012г.

Введение

В настоящее время системы автоматического управления (САУ) получают на электроподвижном составе (э.п.с.) все более широкое распространение. САУ скорости и тока тяговых электродвигателей (т.э.д.) имеются на новых электровозах всех серий, начиная с ВЛ85; САУ постоянно совершенствуются, усложняются и будут использоваться на перспективном э.п.с. всех последующих серий, как постоянного так и переменного тока.

Это предъявляет к инженерно-техническому персоналу железнодорожных предприятий все более высокие требования по уровню подготовки в области автоматизации э.п.с. Знание устройства и принципов работы автоматизированных систем, основ их проектирования и разработки является неотъемлемой частью квалификации современного специалиста в области электрического транспорта.

Целью данной курсовой работы является разработка системы автоматического регулирования скорости электровоза постоянного тока, с тяговыми двигателями последовательного возбуждения в режиме тяги и управлением напряжения.

1. Разработка принципиальной и функциональной схемы САУ

.1 Разработка принципиальной схемы

Принципиальная схема дает представление о составе системы, подлежащей автоматизации, и принципе включения в неё устройств автоматики. Одинаковые силовые устройства, встречающиеся в схеме несколько раз (например, полупроводниковые преобразователи), достаточно изобразить подробно однократно, а в дальнейшем показывать их условно. Это же относится к повторяющимся элементам системы автоматики, например, к датчикам тока.

Для многосекционных электровозов схему достаточно составить для одной секции.

Выбор исполнительных устройств (ИсУ) и измерительных устройств (ИУ) определяется силовой схемой э.п.с. В данной курсовой работе в качестве ИсУ выбран импульсный прерыватель постоянного напряжения (ИППН), а в качестве ИУ - тахогенератор.

.2 Разработка функциональной схемы

Функциональная схема предназначена для описания принципа работы разрабатываемой САУ. Она составлена на основе упрощенной принципиальной схемы.

В функциональной схеме выделены и отражены все функциональные устройства системы и представлены цепи автоматического регулятора. Цепи воздействий обозначены теми координатами (показателями тех физических процессов), по которым эти воздействия осуществляются.

На рассматриваемом э.п.с. имеется 6 объектов управления, представляющие собой двигатели последовательного возбуждения. Воздействие на каждый из них осуществляется по двум каналам Uк - напряжение на зажимах тягового двигателя и β - регулирование возбуждения. Для этого в системе регулирования включены следующие регуляторы:

РС - регулятор скорости. Выполняет групповое управление всеми тяговыми двигателями и обеспечивает стабилизацию до выхода на автоматическую характеристику, т.е. Uк=Uкн.

РВО - регулятор возбуждения общий. Вступает в работу после выхода на автоматическую характеристику и выполняет стабилизацию скорости путем изменения β на всех тяговых двигателях.

РВИ1-РВИ6 - регуляторы возбуждения индивидуальные. Выполняют индивидуальное регулирование βi на каждом тяговом двигателе так, чтобы обеспечивать выравнивание скоростей.

Выходные координаты тяговых двигателей υ1-υ6 поступают на соответствующие ИУ1-ИУ6, сигналы U2-1-U2-6 с выхода которых проходят на промежуточное устройство ПУ2. Это устройство выбирает из всех сигналов сигнал U2м пропорциональный наименьшей скорости, т.к. сигнал большей скорости провоцирует срыв сцепления. Сигнал U2м является сигналом главной обратной связи и поступает на вход устройства сравнения УС1. Сигнал ΔU c выхода этого устройства поступает на вход ПУ1, который вначале пропускает его на регулятор скорости РС, а после выхода на автоматическую характеристику (после того как Uк=Uкн) ПУ1 пропускает ΔU на РВО. Выходной сигнал Uр2 складывается с выходными сигналами РВИ1-РВИ6. Результаты сложения поступают на входы соответствующих управляющих устройств УУ2-i, которые формируют индивидуальные сигналы управления для каждого тягового двигателя α2-i. Эти сигналы управляют работой ИсУ2-i, выполняющих индивидуальное регулирование поля тяговых двигателей βi. Под действием βi выполняется выравнивание скоростей двигателей. На входы РВИ1-РВИ6 поступают сигналы ΔUi, характеризующие отклонение скорости от наименьшего значения, поэтому сигналы на выходах этих регуляторов определяют степень индивидуального воздействия на каждый двигатель для выравнивания скоростей.

Функциональная схема подразделяет систему на отдельные функциональные устройства в соответствии с выполняемыми ими функциями и предназначена для описания принципа работы САУ.

2 Расчет параметров тягового электродвигателя

В качестве исходных данных берем значения, приведенные в приложении П1 методических указаний [1] для тягового электродвигателя AL4846eT. На основе этих данных производим расчет на ПЭВМ, в результате которого получаем электротяговые характеристики, проведенные на рисунке 2.1, магнитную характеристику (рисунок 2.2) и кривую динамической индуктивности (рисунок 2.3) по данным таблицы 1.

Таблица 1 - Электротяговые, магнитная и индуктивная характеристики тяговых электродвигателей

Магнитная характеристика т.э.д. может быть рассчитана по формуле:

 ;

.

где μ - передаточное отношение тягового редуктора; μ=1,52;

р - число пар полюсов т.э.д.; p=3;

N - число проводников обмотки якоря; N=1218;

- диаметр бандажа колесной пары, м; =1,25 м;

а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря; а=3.

Рассчитаем суммарное активное сопротивление всех обмоток т.э.д. Так как обмотки включены последовательно друг с другом, то суммарное сопротивление может быть вычислено по формуле:

Где  - сопротивление обмотки возбуждения, Ом;

 - сопротивление обмотки якоря, Ом;

 - сопротивление дополнительных полюсов, Ом;

 - сопротивление компенсационной обмотки, Ом.

Подставив соответствующие значения в выражение (2.1), мы можем рассчитать магнитную характеристику двигателя Ф().

Результаты расчетов магнитной характеристики занесены в таблицу 1.

Статическая индуктивность обмотки возбуждения  двигателя определяется по следующей формуле

Где  

Результаты расчетов занесены в таблицу 1.

В качестве индуктивности обмотки возбуждения далее в данной работе будем использовать не всю полученную кривую динамической индуктивности, а только значения в одной рабочей точке. Такой точкой обычно выбирают значение большего (пускового) тока Iб, заданного в П1 [1]

Динамические индуктивности обмотки якоря , дополнительных полюсов  и компенсационной обмотки  определяются как доли от динамической индуктивности обмотки возбуджения:

Суммарная индуктивность  всех обмоток определяется по формуле:

После подстановки получим

Эти параметры будут использованы в дальнейшем при определении передаточной функции объекта управления ОУ.

электровоз однофазный тяговый электродвигатель

3. Разработка структурной схемы САУ и определение передаточных функций устройств и разомкнутой системы

.1 Упрощенная функциональная схема САУ и расчет параметров эквивалентного тягового электродвигателя

Структурная схема подразделяет систему на типовые динамические звенья, из которых состоят функциональные устройства. Таким образом, при составлении структурной схемы САУ за основу принимается ее функциональная схема.

Упростим функциональную схему так, чтобы в ней остался только один канал воздействия на ОУ в соответствии с заданным вариантом, в данном случае это управление напряжения. ОУ также будем рассматривать только один, его эквивалентные параметры рассчитаем ниже. Наконец, в данной работе не будем рассматривать каналы регуляторов индивидуального возбуждения (РВИ) и сами регуляторы. С учетом этих упрощений функциональная схема САУ примет вид на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Упрощенная функциональная схема САУ

Поскольку в упрощенной функциональной схеме остался только один ОУ, необходимо определить его эквивалентные параметры, такие, чтобы при указанном переходе от нескольких ОУ к одному не изменились параметры системы в целом, и, следовательно, ее выходные координаты (в данном случае скорость).

В начале следует учесть, что на э.п.с. постоянного тока с ИППН для согласования пульсаций обмотка возбуждения имеет постоянное шунтирование резистором rш. Поскольку шунтирующий резистор rш всегда включен параллельно обмотке возбуждения, то эквивалентное сопротивление возбуждения рассчитывается по формуле (3.1).

Сопротивления шунтирующего резистора, в свою очередь, зависят от величины коэффициента β ослабления возбуждения, и в общем случае определяется как:

Подставив в это выражение значение наибольшего возбуждения βб которое обычно принимают равным 0,95÷0,97, получим сопротивление rш постоянного шунта и определим эквивалентное сопротивление  по формуле (3.1):

Уточним сопротивления обмоток т.э.д. с учетом того, что сопротивление обмотки возбуждения изменилось и стало равным :

Таким образом, в дальнейших расчетах должно фигурировать уточненное значение сопротивления обмоток т.э.д.

Теперь определим параметры эквивалентного т.э.д., обусловленные упрощением функциональной схемы.

Активное сопротивление всех обмоток эквивалентного т.э.д. при последовательном возбуждении определяем по формуле:

где m - число последовательно включенных т.э.д. (якорей) в одной параллельной ветви от ИсУ;

n - число параллельных ветвей от ИсУ.

Эквивалентную индуктивность всех обмоток эквивалентного т.э.д. при последовательном возбуждении определяем по формуле

.2 Передаточные функции измерительного ИУ, управляющего УУ и исполнительного ИсУ устройств

)        Измерительное устройство ИУ

ИУ рассматривается как безинерционное (усилительное) динамическое звено (рисунок 3.2).

Его передаточная функция:

где - коэффициент усиления ИУ.

Коэффициент усиления , в свою очередь определяется как отношение приращения напряжения , В в системе управления к вызвавшему его приращению регулируемой величины (скорости , км/ч)

Значение  принимают равным максимальному напряжению в системе автоматического управления; примем его равным 50 В. Величина  принимается равной скорости  выхода на естественную характеристику и определяется по электротяговой характеристике. Принимаем =91 км/ч.

Вычислим коэффициент усиления

Передаточная функция

) Устройство управления УУ

УУ также рассматривают как усилительное звено (рисунок 3.3), его передаточную функцию определяют по формуле

где  - коэффициент усиления УУ.

Рисунок 3.3 - Структурная схема УУ

Коэффициент усиления  вычисляют в зависимости от типа используемого ИсУ, который в свою очередь, выбирается в соответствии с родом тока э.п.с. Для данного э.п.с. однофазно-постоянного тока он будет рассчитываться по формуле:

где - изменение ширины импульса, с;

 - коэффициент усиления элемента сравнения;

 - сигнал наименьшего фактического значения регулируемой величины, В.

Значение  обычно принимается равным 10.

Изменение ширины импульса принимают равным наиболее широкому импульсу ИППН , определяемому как

,

где - частота работы ИППН, Гц;

 - время восстановления запирающих свойств тиристоров ИППН, с.

Частоту  для управления β принимают равной 400 Гц, а для управления  или  - 150 Гц; =125 мкс.

Величину  полагают равной нулю, поскольку именно это будет соответствовать максимально возможному рассогласованию в начальный момент времени. В то же время значение  принимают максимально возможным в системе автоматического управления , т. е. равным 50 В, так же как и для ИУ.

Рассчитаем значение коэффициента усиления УУ

Передаточная функция

2)  Исполнительное устройство ИсУ

Рисунок 3.4 - Структурная схема ИсУ, учитывающая действие возмущения

Управляющим сигналом в данной схеме является величина τ, а возмущением - напряжение контактной сети uкс. Таким образом, выходная координата исполнительного элемента является функцией двух аргументов:

, (3.13)

где: -напряжение питания ВУВ;

 - частота работы ВУВ, = 150 Гц;

τ - ширина импульса

Запишем выражение полного диффиренциала

 (3.14)

В операторной форме

Δuв(p) =W3(p) ∙ Δτ(p) + W3*(p) ∙ Δuкс(p)        (3.15)

W3(p)= (3.16)*(p)= (3.17)

Рассчитаем передаточные функции, для этого возьмем частные производные в некоторой рабочей точке:

(p)=, (3.18)*(p)=, (3.19)

где:  В (3.20)

 (3.21)

Тогда передаточные функции равны:

W3(p)=2400*150=0,36*

W3*(p)=

3.3 Передаточная функция объекта управления ОУ

Объектом управления в данной САУ является двигатель последовательного возбуждения. Поэтому рассмотрим переход . Расчетная схема представлена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 - Расчетная схема ОУ

)        Переход

Допустим, что

 (3.23)

Запишем выражение для данной системы для исходного состояния

 (3.24)

Поставим значения из (3.23) в (3.22)

Вычтем из уравнения (3.22) уравнение (3.23).

(3.25)

Заменим бесконечно малые приращения конечными и запишем в операторной форме

(3.26)

(3.27)

Отсюда:

(3.28)

где

Следовательно

Рис. 3.6 Структурная схема звена

2)      Переход :

 (3.31)

W5(p) определяется из линеаризации магнитной характеристики:

Рис. 3.7 Структурная схема звена

)        Переход :

Где ;

 т;

;

(1+ коэффициент, учитывающий инерцию вращающихся частей поезда

Сопротивление движению поезда

Удельное сопротивление движению для четырёхосных вагонов

Удельное сопротивление движению для восьмиосных вагонов

; (3.36)

Преобразуем выражение (3.37) на основе формулы полного дифференциала

Заменим бесконечно малые отклонения на конечные от исходного состояния: , ,

Считая выходной координатой скорость, приведем уравнение к виду:

Разделим левую и правую части на коэффициент при :

Разделим левую и правую части на полином левой части

)        Переход

Значения  и  получаем линеаризуя магнитную характеристику.

5)      Переход :

На основе формулы полного дифференциала преобразуем выражение (3.54)

Заменим бесконечно малые отклонения на конечные

Значение  получаем по магнитной характеристике, . Значение  соответствует  на электротяговой характеристике.

.4 Структурная схема и передаточная функция разомкнутой САУ

После определения передаточных функций ОУ, строим структурную схему объекта управления и преобразуем её. Структурная схема и преобразования приведены на рисунке 3.8.

Заменим звенья с передаточными функциями  одним эквивалентным звеном :

Заменим звеном :

В преобразованиях схемы звено с передаточной функцией  не учитывается.

Перенесем точку разветвления с входа звена с передаточной функцией  на выход с сохранением эквивалентной передачей функций. Заменим звенья с передаточными функциями -1 и , соответственно, на эквивалентные звенья с передаточными функциями и .

Звенья с передаточными функциями  и W8* складываются:

Заменим обратную связь звеньев с передаточной функцией на эквивалентное звено с передаточной функцией.

В преобразовании схемы на рисунке 3.8 звено с передаточной функцией учитываться не будет.

Заменим звенья с передаточными функциями  на эквивалентное звено с передаточной функцией .

Передаточная функция разомкнутой САУ будет выглядеть так:

Заключение

В данном курсовом проекте разработана система автоматической стабилизации скорости электровоза однофазно-постоянного тока с тяговыми двигателями последовательного возбуждения в режиме тяги с управлением по напряжению.

Были разработаны принципиальная и функциональная схемы САУ, рассчитаны передаточные функции функциональных устройств и передаточная функция разомкнутой САУ, которая имеет вид:

Список использованной литературы

1. «Автоматизация ЭПС» - под ред. А.Н. Савоськина

2. А.С. Алексеев, А.Н. Савоськин - «Синтез систем автоматического управления э.п.с. Методические указания».