Система автоматической стабилизации скорости электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением

Министерство  Образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«Самарский  государственный архитектурно-строительный университет» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа

    «Система  автоматической стабилизации скорости электродвигателя постоянного тока с независимым  возбуждением»

Вариант №2-4 
 
 
 

Выполнил:

Студент г.ЗТ-84

Зубарев Д.А.

Проверил:

Коршунов  С. Ю. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Самара 2010 г. 
 
 
 

    Исходные  данные 

 
 
 

    Электрическая схема системы  автоматического  управления. 
 
 

 
 

      Рисунок 1.1 – Система автоматической стабилизации скорости электродвигателя постоянного  тока с независимым возбуждением

 

     Содержание 

     1 Описание системы

     1 Принцип работы системы

     2 Описание основных звеньев системы

     2.1 Тахогенератор постоянного тока

     2.2 Двигатель постоянного тока

     2.3 Генератор постоянного тока

     2.4 Операционный усилитель

     2.5 Тиристорный преобразователь

     3 Структурная схема системы. Определение объекта управления, выходной координаты, управляющих и возмущающих воздействий. Основные звенья системы

     4 Уравнения движения и передаточные  функции основных звеньев системы

     5 Передаточная функция системы  (разомкнутая и замкнутая) по  отношению к управляющему воздействию

     6 Передаточная функция по возмущению

      7 Библиографический список 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

     1 Описание системы

     1.1 Принцип работы  системы 

     Реостат (Rз) регулирует управляющее воздействие (Uз). В зависимости от положения ползунка с реостата снимают различное напряжение. Последовательно с реостатом через ограничительный резистор включен операционный полупроводниковый усилитель (ОУ), который обеспечивает усиление входного сигнала до установленного значения. Напряжение с выхода ОУ подается на вход тиристорного преобразователя (ТП). Напряжение с выхода (ТП) подается на обмотку возбуждения генератора постоянного тока. Напряжение с выхода генератора постоянного тока подается на вход объекта управления, а именно двигателя постоянного тока, который приводит во вращение исполнительный механизм. На валу двигателя также находится тахогенератор (ТГ), который применен как устройство обратной связи. Тахогенератор включен на вход усилителя  последовательно - встречно с реостатом.

     В начальный момент мы устанавливаем  ползунок реостата, в какое-то определенное положение. На вход ОУ будет подаваться напряжение установленного значения. После усиления сигнал подается на вход ТП, который изменяет сигнал до нужного значения. После ТП сигнал подается на обмотку возбуждения  генератора постоянного тока. После  многократного усиления сигнал снимается с якорной обмотки генератора и подается на якорную обмотку двигателя постоянного тока, и якорь начинает вращаться. Так как ТГ находится на одном валу с двигателем, то и он начинает вращаться и вырабатывать напряжение, которое подается на усилитель. Так как ТГ включен встречно, то его напряжение вычитается из напряжения ползункового реостата, а значит, на вход ОУ попадет сигнал меньшего значения. Это снижение сигнала приведет к понижению напряжения на клеммах двигателя, и он станет вращаться с меньшей скоростью, ТГ тоже снизит скорость и выходное напряжение, которое подается на вход ОУ. Процесс будет повторяться до тех пор, пока не установится заданная частота вращения. Данный принцип работы описан для холостого хода машины. При появлении нагрузки на валу двигателя изменение произойдет со стороны привода двигателя, а именно частоты вращения. В этом случае ТГ тоже снижает свою частоту вращения и напряжение на выводах. Это приведет к повышению напряжения на входе ОУ, повышению напряжения на клеммах двигателя, повышению его частоты вращения, двигатель выйдет в нормальный режим работы.

     

       

     1.2 Описание основных  звеньев системы

     1.2.1 Тахогенератор постоянного  тока 

     Они служат для измерения частоты  вращения по значению выходного напряжения, а также для получения электрических  сигналов, пропорциональных частоте  вращения вала. Тахогенератор постоянного  тока представляет собой генератор  малой мощности с электромагнитным независимым возбуждением или с  возбуждением постоянными магнитами.

     Ввиду того, что при постоянном токе возбуждения  магнитный поток практически  не зависит от нагрузки, выходная ЭДС  тахогенератора прямо пропорциональна  частоте вращения.

     Как любая машина постоянного тока он состоит из двух основных частей: якоря  и статора. Статор это неподвижная  часть машины, состоящая из станины  и главных полюсов. Станина служит для крепления полюсов и подшипников  и является частью магнитопровода. Главные полюса предназначены для  создания в машине магнитного поля возбуждения и состоят из сердечника и полюсной катушки. Со стороны обращенной к якорю сердечник полюса имеет  полюсный наконечник, который обеспечивает необходимое распределение магнитной  индукции в зазоре машины. Сердечник главных полюсов делают шихтованными из листовой конструкционной стали толщиной 1-2 мм или из тонкой листовой электротехнической стали.

     

     Якорь машины состоит из вала, сердечника и коллектора. Сердечник якоря  имеет шихтованную конструкцию, набирается из штампованных пластин  электротехнической стали покрытых изоляционным лаком, собирают в пакет  и запекается, после чего запрессовывается на вал. На поверхности сердечника якоря  имеются продольные пазы, в которые  укладывают обмотку якоря. Обмотку  выполняют медным проводом, круглого или прямоугольного сечения. Пазы якоря, после заполнения их проводами обмотки  обычно закрывают клиньями из текстолита или гетенакса. Коллектор один из самых сложных узлов машины. Он состоит из пластин трапециидального сечения (медных), собранных таким  образом, что коллектор приобретает  цилиндрическую форму. По коллектору скользят щетки, которые делают медно- графитовыми. Коллектор и щетки изменяют направление  токов в проводниках обмотки  якоря при переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности.  

     1.2.2 Двигатель постоянного  тока 

     Двигатель состоит из якорной обмотки (ротора с якорной обмоткой), статора, щёточного  узла. ДПТ являются обратимыми электрическими машинами, то есть в определенных условиях способны работать как генераторы.

     На  статоре ДПТ располагаются в  зависимости от конструкции:

     - постоянные магниты; 

     - обмотки возбуждения — катушки,  наводящие магнитный поток возбуждения. 

     Двигатели постоянного тока различаются по способу коммутации обмоток возбуждения. Вид подключения обмоток возбуждения  существенно влияет на тяговые и  электрические характеристики

     электродвигателя. Существуют схемы независимого, параллельного, последовательного и смешанного включения обмоток возбуждения.

     

     Ротор любого ДПТ состоит из многих катушек, на одну из которых подаётся питание  в зависимости от угла поворота ротора относительно статора. Применение большого числа (несколько десятков) катушек  необходимо для обеспечения оптимального взаимодействия между магнитными полями ротора и статора (то есть создания максимального момента на роторе).

     Выводы  всех катушек объединяются в коллекторный узел. Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо из изолированных друг от друга пластин-контактов, расположенных  по оси ротора. Существуют и другие конструкции коллекторного узла.

     Щёточный  узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе. Щётка — неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый).

     Щётки часто размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора, как следствие  при работе ДПТ происходят переходные процессы в обмотках ротора. Эти  процессы приводят к искрению на коллекторе, что значительно снижает ресурс ДПТ. Искрение уменьшают выбором  взаимного положения полюсов  ротора относительно статора (снижая ток  коммутации), а также подключением внешних реактивных элементов (конденсаторов).

     

     При больших токах в роторе ДПТ  возникают мощные переходные процессы, в результате чего искрение может  постоянно охватывать все пластины коллектора, независимо от положения  щёток. Данное явление называется кольцевым  искрением коллектора. Кольцевое  искрение опасно тем, что одновременно выгорают все пластины коллектора, и срок его службы значительно  сокращается. Визуально кольцевое  искрение проявляется в виде светящегося кольца около коллектора. Эффект кольцевого искрения коллектора не допустим, при проектировании приводов устанавливаются соответствующие ограничения на максимальные моменты (а следовательно и токи в роторе), развиваемые двигателем.

     На  рамку с током, находящуюся в  магнитном поле возбуждения статора, действуют силы, создающие момент на роторе.

     Управление  двигателем осуществляется по току в  обмотке двигателя, который пропорционален напряжению, приложенному к этой обмотке. Реакцию двигателя на данное напряжение при определённом внешнем моменте  можно увидеть на соответствующей  регулировочной характеристике. Регулировочная характеристика показывает скорость, которую двигатель достигнет  в установившемся режиме.

     Основные  формулы, используемые при управлении ДПТ:

     M = kmI — момент, развиваемый двигателем, пропорционален току в обмотке  якоря (ротора). km — коэффициент  момента двигателя. 

     E = keω — противоЭДС в обмотках  якоря пропорционально угловой  частоте вращения ротора. ke —  коэффициент ЭДС двигателя. 

     U = RI — закон Ома для обмотки  ротора. R — сопротивление обмотки  ротора, I, U — ток в ней и  напряжение, подаваемое на обмотку  ротора.