43071

Система автоматического управления электроприводом

Курсовая

Информатика, кибернетика и программирование

Конструктивное исполнение всех двигателей со степенью защиты IP44 – станина с продольными радиальными ребрами и наружный обдув, установленным на валу реверсивным центробежным вентилятором, защищенным кожухом, предназначенным одновременно и для направления воздушного потока.

Русский

2013-11-04

6.2 MB

97 чел.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И РОБОТОТЕХНИКИ

Кафедра

«Электропривода и Автоматизации Промышленных Установок и Технологических Комплексов»

Группа 107624

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине

“Системы управления электроприводами”

на тему

“Система автоматического  управления электроприводом”

Исполнитель                                             В.Г. Кисель

   

Руководитель                                            А.В. Миронович

Минск 2008

СОДЕРЖАНИЕ

Введение            4

1. Требование к системе управления электроприводом    5

1.1 Технические данные электродвигателя      5

1.2. Требования к системе управления электроприводом

1.3. Определение областей работы электропривода    7

1.4.  Выбор принципиальной схемы главных цепей и структурной  электрической схемы системы        8

2. Выбор основных элементов электропривода. Определение параметров главных цепей                    13

3. Проектирование системы управления электроприводом             16

3.1. Выбор структуры системы управления электроприводом            16

3.2. Математическое описание объекта управления. Определение передаточных функций и коэффициентов звеньев
объекта управления          17

3.3 Выбор принципов реализации структуры СУЭП, выбор датчиков          24

3.4  Синтез системы управления                 24

3.5 Выбор задающего устройства                26

3.6. Реализация регуляторов и ограничение координат    28

3.7 Функциональная схема СУЭП       32

4. Анализ динамических и статических характеристик СУЭП            33

4.1.  Моделирование основных режимов. Оценка динамических и статических показателей системы                   33

5. Проектирование дискретной части системы управления, защиты
и сигнализации                    37

Заключение                    39

Список используемых источников                 40

ВВЕДЕНИЕ

    

Главной задачей в аспекте развития новой техники становится создание автоматизированных асинхронных ЭП с частотным векторным управлением, обладающих требуемой точностью в широком диапазоне регулирования скорости и экономическими эксплуатационными свойствами. Управление частотным асинхронным ЭП требует одновременного регулирования частоты и напряжения U1 статора двигателя.

    Системы регулирования положения представляют собой класс систем с чрезвычайно широким диапазоном назначений. Они находят применение в различных промышленных установках и роботах. Мощность исполнительных двигателей в них составляет от единиц и десятков ватт до десятков и сотен киловатт, их питание осуществляется от тиристорных преобразователей или транзисторных усилителей мощности.

    Контроль положения осуществляется с помощью датчиков, которые в аналоговой или дискретной форме дают информацию о перемещении рабочего органа механизма на протяжении всего пути. В качестве датчиков используются сельсины, вращающиеся трансформаторы, импульсные и цифровые датчики.

    В настоящее время распространены два вида систем электропривода с НПЧ и преобразователем частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Такая система состоит из преобразователя переменного тока промышленной частоты в постоянный, и автономного инвертора напряжения (АИН) либо тока (АИТ), которые преобразуют напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока требуемой частоты [1].

    Заданием на данный курсовой проект является разработка системы автоматического управления положением электропривода со следующими требованиями и параметрами: тип двигателя АИР100S4; статическая ошибка δ=0,08 мм; параметры механической части электропривода: передаточное число редуктора i=9; r=0,2м; mмех=0,6-3 кг; Fмех..=30 Н.; Fнагр=100-200 H-активный; отрабатываемые перемещения S=0,001-0,63 мм.

      1 Требования к системе управления электроприводом. Технические данные электродвигателя. Требования к СУЭП. выбор принципиальной схемы главных цепей и структурной электрической схемы системы

  1.  Технические данные электродвигателя

Двигатели серии АИ являются новой, унифицированной серией АД [2].   Серия имеет шкалу мощностей, аналогичную шкале серии 4А, и состоит из 34 ступеней  от  0,025  до   400 кВт. Выполнена в   18  габаритах,  характеризующихся  значениями  высоты  оси вращения от 45 до 355 мм.

Привязка мощностей к установленным размерам в АД серии предусмотрена в двух вариантах: 1 вариант –  привязка в  соответствии с  РС-3031-71  для АД с высотами оси вращения 45-355 мм и степенями защиты IP44(IP54) и (IP23), 2 вариант –  привязка в  соответствии с нормами CENELEK-DOKUMENT 28/64 предназначены для поставок только  на экспорт. Двигатели серии АИ в отличие от   серии  4А имеют:   улучшенные  энергетические показатели, улучшенные пусковые характеристики, повышенные показатели надежности, улучшенные виброакустические характеристики (уровень шума по сравнению с 4А снижен на 10-15 дБ), сниженный расход активных и конструктивных материалов соответственно на 10-15 и 15-20 %.

Конструктивное исполнение всех двигателей со степенью защиты IP44 – станина с продольными радиальными ребрами и наружный обдув, установленным на валу реверсивным центробежным вентилятором, защищенным кожухом, предназначенным одновременно и для направления воздушного потока. Станина изготавливается из сплава алюминия и чугуна. Сердечники статора и ротора выполняются наборными из листов электротехнической стали марки 2013 толщиной 0,5 мм. Обмотка имеет изоляцию класса В.

Параметры двигателя АИР100S4 представлены в таблице 1.1 [2].

Таблица 1.1 – Технические данные двигателя серии АИР100S4.

Р, кВт

рп

При номинальной

нагрузке

Синхронная частота вращения

n, об/мин

s, %

cosφ

η, %

3

4

6

0.83

82

2

2.2

1.6

7

1500

  1.  Требования к системе управления электроприводом

Позиционированием называют такой режим работы системы управления положением, при котором задачей системы является перемещение рабочего органа механизма из одного фиксированного положения в другое. Характер траектории перемещения при этом важен лишь постольку, поскольку он обеспечивает минимальное время перемещения, то есть максимальную производительность механизма, без значительного перерегулирования по положению.

    При рассмотрении позиционной системы различают: а) малые перемещения, при которых ни один из регуляторов не ограничивается и система работает как линейная; б) средние перемещения, при которых отработка происходит при ограничении регулятора скорости, т.е. при ограничении тока, но участок работы с постоянной скоростью отсутствует; в) большие перемещения, при отработке которых в течение определенного времени двигатель работает на установившейся скорости в результате ограничения регулятора положения, а регулятор скорости ограничивается при разгоне и торможении.

    В соответствии с выше сказанным можно сделать вывод о том, что в данном курсовом проекте рассматривается отработка  большого перемещения.

    В соответствии с заданием к проекту необходимо обеспечить систему позиционирования ЭП. Управление – это организация процесса, позволяющая достигнуть поставленной цели. Система управления состоит из управляющего устройства, связанного с объектом управления. К системам управления предъявляются следующие требования:

  •  технические – поддержание стабильности работы и статизма характеристик, реализации требуемой частоты пусков и возможности реверса;
  •  удобство и гибкость управления – возможность быстрой переналадки и вероятное использование в различных системах;
  •  надежность работы в нормальных и аварийных режимах – предусмотреть все вероятные аварийные режимы (короткое замыкание, перегрузка двигателя, неисправность силовых цепей, превышение двигателем nmax и т.п.) и методы их предотвращения и устранения (установка предохранителей, датчиков и других аппаратов защиты);
  •  удобство наладки, ремонта, обслуживания – максимально облегчить работу и облегчить доступность к основным схемам и узлам для вероятного ремонта (блочное построение системы для быстрой замены и ремонта);
  •  минимальные габариты и масса изделия – создание компактных блоков и    

узлов;

  •  стоимость оборудования – применение недорогих комплектующих и технологий;
  •  обеспечение безопасности работы – соответствие всем правилам и нормам техники безопасности;
  •  пожарная безопасность;
  •  защита от радиопомех – обеспечить невозможность влияния на систему других приборов и собственных цепей питания;
  •  доступность диагностики САУ – быстро и точно проверять систему, а при обнаружении неисправности устранять ее.

  1.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТЕЙ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

На основе данных электродвигателя определим номинальную скорость:

Далее на основе исходных данных к курсовому проекту находим:

В соответствии с полученными данными строим диаграмму режимов работы электропривода в статике и динамике:

Определим суммарный момент инерции привода. Момент инерции механизма находим из выражения:

Из условия Jмех=(4-5)Jдв находим момент инерции двигателя:

На основе полученных данных находим суммарный момент инерции электропривода.

По полученным данным определим области работы электропривода в статике и динамике, представленные на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Области работы электропривода.

  1.  выбор принципиальной схемы главных цепей и структурной электрической схемы системы

На основании задания к курсовому проекту в качестве управления асинхронным двигателем выбираем систему «преобразователь частоты – асинхронный двигатель» (ПЧ-АД). В данной системе ПЧ является двухзвенным, включающий в себя неуправляемый трехфазный выпрямитель с блоком торможения, фильтр для сглаживания пульсаций и управляемый автономный инвертор напряжения. В качестве коммутирующих элементов применяются транзисторы. Принципиальная схема главных цепей представлена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Принципиальная схема главных цепей: VD1-VD6 – неуправляемый выпрямитель; С0 L1– фильтр для сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя; VT-R – блок торможения; диодный мост – VD7-VD12, С0 – обеспечивает пропуск реактивной энергии АД, в связи с  отсутствием возможности обмена энергии между нагрузкой и сетью; VT1-VT6 – автономный инвертор напряжения.

Для начала произведем расчет параметров схемы замещения электродвигателя [3]. Схема замещения двигателя показана на рисунке 1.3.

                                                                                        

                                                                                                                                                                                                                                                                  

                                                                                                                               

Рисунок 1.3 – Эквивалентная Т-образная схема для одной фазы асинхронного двигателя.

Таким образом, находим следующие данные:

Ток статора

А.

Потери в двигателе:

Вт;

Вт;

Вт.

Момент холостого хода и электромагнитный номинальный момент:

Нм;

Нм.

Переменные номинальные потери мощности в роторе

Вт.

Задаемся коэффициентом загрузки  из условия  и определяем переменные номинальные потери мощности

Далее находим:

Активное сопротивление статора.

Ом.

Максимальный электромагнитный момент

Коэффициент

Полное сопротивление

Сопротивление ротора

Индуктивное сопротивление короткого замыкания

Критическое скольжение

Индуктивное сопротивление статора и ротора

Ток холостого хода

Активное сопротивление катушки намагничивания

Индуктивности статора и ротора

Взаимная индуктивность

Произведем выбор  силовой схемы преобразователя частоты исходя из условия потерь мощности:

Рсмех-Рмех-Рэл     (1.1)

где                                       (1.2)

где               

Средний тормозной динамический  момент  привода,  согласно  диаграмме  областей  работы привода, равен

Тогда

Тогда, согласно (1.2) получаем

Находим потери мощности, зная параметры схемы замещения двигателя:

Тогда, по выражению (1.1) получаем

Рс=3100-39.5-667.7=2400 Вт.

Находим энергию передаваемую в сеть при торможении двигателя:

Соответствующие данной  энергии потери мощности составляют:                 Ртор= 7*10-5 кВтч. Данное значение потерь мощности показывает, что целесообразнее всего использовать ПЧ без специального блока торможения, а тормозную энергию лучше рассеивать на тормозном резисторе. Тогда принципиальная схема главных цепей примет вид, показанный на  рисунке 1.4

Рисунок 1.4 – Принципиальная схема главных цепей.

Структурная схема системы представлена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.5– Структурная схема системы электропривода.

2 выбор системы электропривода. определение параметров главных цепей

В соответствии с принципиальной схемой главных цепей, показанной на рисунке 1.4, произведем выбор следующих элементов:

Выбор вентилей неуправляемого выпрямителя.

Диоды выбираются по номинальному току и максимальному обратному напряжению.

Среднее значение тока, протекающего через каждый диод равно:

.

Действующее значение тока диода:

Выбор вентилей по току, учитывая отклонение от номинального режима и запас по току, осуществим исходя из условия:

    (2.3)

где  =(0.8 … 1.2) – коэффициент, учитывающий отклонение режима работы вентиля и условия охлаждения от номинальных. =1,2;

=(1.25 … 1.65) – коэффициент запаса по току в рабочем режиме. =1,5.

Получаем:                      

По справочнику [4] выбираем диоды Д112-10 с охладителем О111-60 с IFAVm=10 А.

Условие выбора вентилей по напряжению, учитывая запас по рабочему напряжению и возможные превышения напряжения сети:

,      (2.4)

где  =(1.65 … 2.0) – коэффициент запаса по рабочему напряжению. =1.8;

= 1.1 – коэффициент, учитывающий возможное превышение напряжения в сети;

– максимальное обратное напряжение, приложенное к диоду:

Тогда, исходя из условия выбора диодов по напряжению, получаем:

Выбираем диоды XVIII класса по напряжению.

Выбор транзисторов автономного инвертора.

В качестве транзисторов инвертора будем использовать IGBT-транзисторы. Так как  IGBT-транзисторы  допускают  перегрузку в течение 1мс  током Ic max=2Ic, а   время  пуска  электропривода  всегда  больше 1мс,  поэтому  выбор IGBT-транзисторов  производим  по  пусковому  току  двигателя  Iпуск=(23)Iн.дв.

Средний ток через транзистор

Тогда максимальный ток через транзистор равен:

Выбираем транзисторы SKM22G3036D. Транзисторы выбираются по максимально допустимому обратному напряжению коллектор-эмиттер. При этом необходимо учесть коэффициенты перегрузки и запаса по напряжению. В связи этим получаем:

Поэтому выбираем транзисторы XIII класса по напряжению.

Определим индуктивность анодного реактора.

,      (2.5)

где Кп – коэффициент, учитывающий наличие свободной составляющей в токе короткого    замыкания; Кп = 1,6 2,0. Примем Кп = 1,6.         

Iуд.  ударный ток, который может протекать по прибору в течение 10 мс, Iуд=350 А.

nколичество реакторов, ограничивающих ток короткого замыкания.

Анодный реактор выбирается из каталога по соотношениям:

                                               Lн кат.  Lap  ,

                                          Uн кат   U,                                       (2.6)

                                               Iн кат     I.

Таким образом, по выражению (2.5) находим

Таким образом выбираем реактор типа РТСТ-20.5-4.42У3 [5] со следующими параметрами: Lн=4.42 мГн, Uн=410 В, Iн=20.5 А, Rн=265 мОм.

Далее определим параметры фильтра.

Индуктивность фильтра определим из выражения:

     (2.7)

где s – коэффициент сглаживания. Выбирается из диапазона s =(3-12). Примем s=9. Получим

Величину сопротивления тормозного резистора можно определить из выражения:

,                                                      (2.8)

где              

Получаем значение сопротивления

3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

3.1 ВЫБОР СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Для того, чтобы определиться с выбором системы электропривода, предварительно вычислим диапазон регулирования скорости электродвигателя, по которому можно будет сделать вывод о системе. диапазон регулирования определяется по выражению:

     (3.1)

где    ;  

           (3.2)

где  τ = (0,0005-0,002). Примем τ = 0,001с; k выбираем исходя из условия обеспечения лучшего быстродействия. Примем k=4;  δ = 0,08 мм по заданию.

Тогда, согласно (2.2) получаем

Таким образом, в соответствии с выражением (3.1) получаем

В соответствии с полученным значением диапазона регулирования можно сказать, что в проектируемой системе целесообразно использовать частотное регулирование скорости, позволяющее реализовать непрерывное управление скоростью во всех переходных процессах ЭП [1]. Это реализуется системой векторного управления: управляемые координаты ЭП, измеренные в неподвижной системе координат преобразуются к вращающейся системе координат, в которой координаты ЭП рассматриваются как векторные величины. Из этих величин, расположенных в виде проекций на вращающиеся оси координат, путем координатных преобразований выделяются пропорциональные или постоянные величины координат ЭП, используемых в качестве сигналов управления в системе ЭП. На рисунке 3.1 показана функциональная схема системы.

Рисунок 3.1 – Функциональная схема системы.

3.2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ И КОЭФФИЦИЕНТОВ ЗВЕНЬЕВ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

   В последнее время сформировался новый подход к построению систем асинхронного электропривода с преобразователем частоты, основанный на полных дифференциальных уравнениях асинхронного двигателя записанных на базе теории обобщенной электрической машины. Такой подход позволяет построить структуру системы управления частотным электроприводом называемую системой векторного управления и осуществить анализ и синтез асинхронного электропривода более простыми методами. Для этой цели управляемые координаты электропривода, измененные в неподвижной системе координат, преобразуются к вращающейся системе координат, в которой координаты электропривода рассматриваются как векторные величины. Из этих величин, расположенных в виде проекций на вращающиеся оси координат, путем координатных преобразований, выделяются пропорциональные или постоянные величины координат электропривода, которые используются в качестве сигналов управления в системе электропривода.

Дифференциальные уравнения асинхронного двигателя[6]:

                      (3.3)

где  , , , – проекции вектора напряжения и тока статора двигателя на оси и ;

– модуль результирующего вектора потокосцепления ротора;

– круговая частота скольжения ротора относительно поля ротора.

   Математическая модель асинхронного двигателя может быть получена на основании уравнений (3.3). Представим третье и четвертое уравнения в (3.3) в виде:

                                                 (3.4)

Подставляя их в первое и второе уравнения (3.3) после преобразований получим операторные изображения проекций напряжений статора:

                                 (3.5)

Здесь – эквивалентная постоянная времени статора;

         ,  – Эквивалентные сопротивление и индуктивность цепи статора

Тэ = 0.04/3.5 = 0,01 с.

Составляющие правых частей уравнений (3.5)

,                                   (3.6)

представляют собой внутренние связи асинхронного двигателя, которые могут быть скомпенсированы в блоке развязки системы векторного управления, либо реализованы внутри структурной схемы двигателя.

   Полученные уравнения (3.3) и (3.5) могут быть использованы для построения полной структурной схемы двигателя. Для этой цели перенесем в левые части уравнений (3.3) составляющие (3.4), которые представляют собой дополнительные напряжения, суммирующиеся с напряжением статора на входах каналов  и . Получим:

                           (3.7)

Структурную схему объекта управления в осях х, у изобразим на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Структурная схема асинхронного двигателя.

На основании уравнений (3.7) может быть определена ПФ  и . При компенсации внутренних связей ПФ имеет вид:

.

Для построения структурной схемы асинхронного двигателя должны быть еще определены следующие ПФ звеньев. ПФ зависимости между моментом М и током :

.

ПФ интегрирующего звена, определяемая уравнением движения:

     (3.8)

где и – момент сопротивления и момент инерции системы, приведенной к валу двигателя. Из уравнения (3.8) получим:

В главной цепи контура регулирования потокосцепления ротора кроме звена , включается звено , преобразующее ток статора в потокосцепление ротора , то есть в соответствии с третьим уравнением выражения (3.3):

Передаточная функция звена, преобразующая ток статора i1x в потокосцепление 2 имеет вид:

      (3.9)

где           

Тогда передаточная функция согласно (3.9) равна

Синхронная скорость двигателя может быть определена из уравнения:

            .     (3.10)

Передаточная функция звена в канале обратной связи КL                       

                                                                             

Величина магнитного потока 2 определяется из выражения:

     (3.11)

Получаем:

     =.

Помимо главных цепей системы регулирования потокосцепления и скорости на структурной схеме двигателя изображены внутренние связи. Входными координатами для них являются , а соответствующими выходными координатами .

   Полученная структура (рисунок 3.2) асинхронного двигателя представляет собой сложную систему взаимосвязанных цепей управления. Однако она позволяет сравнительно просто исследовать динамические свойства двигателя при задающих и возмущающих воздействиях и осуществить определение параметров двигателя методами моделирования.

Передаточные функции преобразователей энергии по осям х и у вычисляются по выражению:

    (3.12)

где Тμ =0.001с – малая некомпенсируемая постоянная времени,

Тогда, по выражению (3.12)

При линеаризации структуры объекта управления получили следующую схему асинхронного двигателя, представленную на рисунке 3.3.

                                                    К

               

                                                                       

            -                     

                                                         i1x                                                             

                   

            -   

                                                                                 2

                                                                 0                    

                                                                                    

                        

                                                                                 K12

                                                                                

                                                                                                                  

                                   Kэ                                     Кm                    Mc

                                                                                                     M                                     

                    

                                                  

                                                        

Рисунок 3.3 – Линеаризованная структурная схема асинхронного двигателя.

Произведем расчет механических и электромеханических характеристик объекта управления. При расчете данных характеристик необходимо учитывать особенности асинхронного короткозамкнутого двигателя и до скольжения равного критическому значению (sк=0,27) механическую характеристику будем рассчитывать по формуле Клосса, а расчет характеристики выше критического скольжения – по формуле Чикунова.  Ток статора рассчитывается по формуле В.А.Шубенко. Таким образом выражения для расчета характеристик будут иметь вид:

В этих выражениях:

Все вычисления для построения механической и электромеханической характеристик представим в виде таблицы 3.1.

Таблица 3.1 – Расчетные данные для построения механической и электромеханической характеристик объекта управления.

s

ω, рад/с

М, Нм

I1, А

-1

314

-40,6425

46,80

-0,9

298,3

-40,3826

44,27

-0,8

282,6

-40,4492

41,78

-0,7

266,9

-40,9072

39,31

-0,6

251,2

-41,8091

36,81

-0,5

235,5

-43,1329

34,15

-0,45

227,65

-43,8852

32,69

-0,41

221,37

-44,4626

31,41

-0,37

215,09

-44,9364

30,01

-0,27

192,535

-44,6966

25,61

-0,18

185,26

-57,2682

23,69

-0,15

180,55

-51,9013

20,64

-0,12

175,84

-44,4309

17,15

-0,09

171,13

-34,9477

13,29

-0,06

166,42

-23,8715

9,21

-0,03

161,71

-11,9267

5,20

-0,01

158,57

-3,91841

3,15

Продолжение таблицы 3.1.

s

ω, рад/с

М, Нм

I1, А

0

157

0

2,80

0,01

155,43

3,821086

3,15

0,03

152,29

11,06854

5,07

0,06

147,58

20,66484

8,63

0,09

142,87

28,47822

12,06

0,12

138,16

34,47419

15,17

0,15

133,45

38,80833

17,90

0,18

128,74

41,73271

20,28

0,21

124,03

43,52417

22,33

0,27

114,61

44,69656

25,61

0,3

109,9

45,11094

27,10

0,33

105,19

45,18376

28,43

0,35

102,05

45,09831

29,25

0,37

98,91

44,93639

30,01

0,39

95,77

44,71887

30,73

0,41

92,63

44,46262

31,41

0,43

89,49

44,18116

32,06

0,45

86,35

43,88521

32,69

0,5

78,5

43,13294

34,15

0,55

70,65

42,42612

35,51

0,6

62,8

41,80909

36,81

0,65

54,95

41,30106

38,07

0,7

47,1

40,90724

39,31

0,8

31,4

40,44918

41,78

1

0

40,64246

46,80

1,2

-31,4

41,91578

52,05

Механическая и электромеханическая характеристики представлены на рисунке 3.4 и 3.5 соответственно.

Рисунок 3.4 – Механическая характеристика объекта управления.

Рисунок 3.5 – Электромеханическая характеристика объекта управления.

3.3 ВЫБОР ПРИНЦИПОВ РЕАЛИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ СУЭП, ВЫБОР ДАТЧИКОВ

Исходя из требований к системе управления электроприводом, выбираем аналоговую систему с реализацией регуляторов на операционных усилителях.  Синтез регуляторов производится без учета влияния перекрестных и внутренних обратных связей, что вносит незначительную погрешность при определении регуляторов. Величина статического момента принимается равной нулю. Оптимизация контуров производится по модульному оптимуму.

Для реализации датчика положения ротора и датчика скорости будем использовать импульсный датчик с последующим преобразованием его выходного дискретного сигнала в аналоговый. С этой целью выбираем в качестве импульсного датчика оптический энкодер Osicoder фирмы «Schneider Electric» [7] со следующими техническими параметрами:

  •  максимальная скорость вращения: 9000 об/мин,
  •  диапазон рабочих температур: -20… +80 oC,
  •  максимальная частота: 150 кГц,
  •  число штрихов на оборот вала: 1000,
  •  напряжение питания: +15В,
  •  уровень выходного сигнала: +10В
  •  диаметр вала: 10 мм (цельный вал).

Так как выходной сигнал есть последовательность импульсов, то для их преобразования в аналоговый сигнал используем RC-цепочку (одновибратор), фильтр высокочастотных помех на базе операционного усилителя и интегратор для получения сигнала обратной связи по положению. Принципиальная схема такого преобразования будет иметь вид:

Рисунок 3.6 – Принципиальная схема преобразователя импульсов.

Выберем конденсатор С6 предполагая, что при минимальной частоте импульсов приходящих с энкодера (примерно 17 Гц) конденсатор должен разряжаться полностью на интервале времени между последовательно идущими импульсами энкодера.

    (3.3.1)

Принимаем конденсатор , тогда из соотношения (3.3.1) находим величину резистора :

  (3.3.2)

Принимаем : МЛТ-0,125-240 Ом2%.

Средняя частота импульсного датчика составляет 75кГц. С целью уменьшения пульсаций получаемого выходного сигнала с одновибратора применяем фильтр, который реализуем на операционном усилителе. Принимаем конденсатор , тогда величина сопротивлений R20, R21:

  (3.3.3)

Коэффициент усиления фильтрующего звена принимаем ky=1, тогда:

.     (3.3.4)

Интегратор DA7 реализуем также на операционном усилителе, принимая постоянную времени интегрирования Т=1с. Тогда приняв  находим величину сопротивления резистора R19:

  (3.3.5)

В контуре скорости дополнительно устанавливается устройство деления.

В качестве датчиков потокосцепления ротора используем датчик Холла.          В качестве датчика тока выбираем шунт. Блок деления реализуем с помощью ячеек УБСР-АИ типа ШД-2АИ, показанные на рис. 3.7

Рисунок 3.7 –  Блок деления.

3.4 СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Синтез системы заключается в определении структуры и параметров регуляторов каждого канала, что позволяет сформировать сигналы управления ux, uy. Для обеспечения автономности каналов необходима компенсация перекрестных связей объекта перекрестными связями регулятора:

В начале  произведем синтез регуляторов системы управления в канале потокосцепления (канал «x»). Канал x содержит регулятор тока Кртх(р) и регулятор потокосцепления Крψ(р).

Передаточная функция регулятора тока имеет вид:

   (3.13)

где – коэффициент обратной связи по току.

Тогда, согласно выражению (3.13) находим:

Теперь определим передаточную функцию регулятора потокосцепления.

    (3.14)

Данный ПИ-регулятор обеспечивает астатизм контура потокосцепления, что способствует статической точности. В последнем выражении – коэффициент обратной связи по потокосцеплению. С учетом (3.11) имеем:

Тогда выражение (3.14) примет вид:

Аналогичным образом определяются передаточные функции регуляторов тока, скорости и положения канала y, пренебрегая обратной связью по ЭДС двигателя. В результате при kОТХ=kОТy получим:

Для определения П-регулятора скорости запишем выражение по условию модульного оптимума

    (3.15)

Отсюда

       (3.16)

Здесь - переменная величина, поэтому на выходе регулятора скорости с передаточной функцией

   ,     (3.17)

необходимо установить блок деления на .

В выражении (3.17) имеем: – коэффициент обратной связи по скорости.

   (3.18)

Подставляя (3.18) в (3.17) получаем:

В качестве регулятора положения выбираем П-регулятор, передаточная функция которого определяется из условия, чтобы разомкнутый контур соответствовал модульному оптимуму:

      (3.19)

где 1/ρ – коэффициент пропорциональности между и S;

       – коэффициент обратной связи по положению.

Тогда передаточная функция регулятора положения примет вид:

В качестве задающего элемента для регуляторов потокосцепления ротора  и регулятора положения используем потенциометры.

Произведем предварительное моделирование системы электропривода для определения качественной работоспособности системы управления при отработке заданного перемещения. Моделирование выполним в пакете имитационного моделирования «MATLAB». В процессе моделирования для выявления правильной работы системы нам необходимо будет оценить ошибку при отработке необходимого перемещения (ошибка должна быть меньше либо равна допустимой: δ  δдоп.=0.08 мм).  

Схема модели представлена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 – Схема модели с П-регуляторами скорости и положения.

В результате имитационного моделирования системы с П-регуляторами, показанной на рисунке 3.5, мы получили статическую ошибку (рисунок 3.6) по положению δ=0.03 мм, что меньше допустимой ошибки указанной в задании на курсовое проектирование. Следовательно, можно сделать вывод о том, что данная система качественно отрабатывает заданное перемещение.

Рисунок 3.6 – Зависимость ошибки по положению во времени.

3.6 РЕАЛИЗАЦИЯ РЕГУЛЯТОРОВ И ОГРАНИЧЕНИЕ КООРДИНАТ

Реализация регуляторов тока.

  Схема регулятора тока показана на рис. 3.6.

Рисунок 3.6 – Регулятор тока.

Передаточная функция ПИ–регулятора тока имеет вид:

.

   С другой стороны, передаточная функция регулятора тока определяется выражением (3.13). Учитывая это получаем следующие коэффициенты:

    Коэффициент Т = ТЭ= 0,01 с; Т1 =2Тµ kОТП /RЭ.

 Тогда           . 

Принимаем С2 = 1 мкФ, тогда

R7 = 0,01/110-6 = 10 кОм.

Из ряда номинальных значений сопротивлений выбираем резистор R7=10 кОм.

R5 = 0,02/10-6 = 20 кОм,

выбираем резистор R5 = 20 кОм.

    Для операционного усилителя IL9002N входной ток равен Iвх=0,510-3 А. Определим мощности резисторов:

                            РR5=R5 Iвх2=20103(0,510-3)2=0,5 Вт,

                            РR7=R7 Iвх2=10103(0,510-3)2=0,25 Вт.

    Из стандартного ряда выбираем РR5= РR7=0,125 Вт.

Таким образом выбираем:

  •  в качестве резистора R5 – резистор МЛТ  0,5-10 кОм ±10%;
  •   в качестве резистора R7 – резистор МЛТ  0,5-20 кОм ±10%;

    Конденсатор выбираем на напряжение UВЫХ =15 В для ОУ IL9002N.

Реализация регулятора скорости.

    Схема регулятора скорости показана на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 – Регулятор скорости.

Передаточная функция П–регулятора скорости имеет вид:

Коэффициент Ти=1/28.1=0,04с.  Принимаем С6 = 1 мкФ, тогда

R17 = 0,04/110-6 = 40 кОм.

Из ряда номинальных значений сопротивлений выбираем резистор МЛТ  0,5-45 кОм ±10%.  Конденсатор выбираем на напряжение UВЫХ =15 В для ОУ IL9002N.

Реализация регулятора потокосцепления ротора.

Схема регулятора потокосцепления показана на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 – Регулятор потокосцепления.

Передаточная функция ПИ–регулятора тока имеет вид:

Значения Т и Т1 определяются следующим образом:

Т=Т2=0,1с;

Принимаем С1 = 1 мкФ, тогда

R4 = 0,1/110-6 = 100 кОм.

R2 = 0,013/110-6 = 13 кОм

Из ряда номинальных значений сопротивлений выбираем резисторы:

  •  R2 – МЛТ  0,5-15 кОм ±10%;
  •  R4 – МЛТ  0,5-100 кОм ±10%.

Конденсатор выбираем на напряжение UВЫХ =15 В для ОУ IL9002N.

Реализация регулятора положения.

Так как в задании на курсовое проектирование максимально возможное отрабатываемое перемещение составляет 0,63 м (отработка большого перемещения), то в качестве регулятора положения будем использовать комбинированный параболический регулятор. Схема регулятора положения приведена на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 – Регулятор положения.

В качестве резисторов R12, R13, R14 выбираем  резисторы МЛТ 0,5-30 кОм ±10%.

Сопротивления обратных связей регуляторов рассчитываются на максимально допустимый входной ток операционного усилителя. Для этого выходное значение напряжения операционного усилителя (IL9002N) разделим на его максимально допустимый входной ток.

RОС = UВЫХ / IВХ = 15/0,510-3 = 30 кОм

Из ряда номинальных значений сопротивлений выбираем резисторы МЛТ 0.5-30 кОм±10%.

Ограничение выходной величины регулятора выполним с помощью нелинейного элемента в цепи обратной связи операционного усилителя, как это показано на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11 – Схема ограничения выходной величины регулятора

3.7 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Функциональная схема системы управления проектируемым электроприводом представлена на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12 – Функциональная схема системы управления.

4 АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ И СТАТИЧЕСКИХ ХАРАТЕРИСТИК СУЭП

4.1 СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ

Статические характеристики строим исходя  из условия увеличения тока статора в полтора раза от номинального (I = 1.5Iном). По электромеханической характеристике асинхронного двигателя находим значение скорости соответствующей току I = 1.5*6.7 = 10.1 А. Затем находим величину скольжения при данном токе и предельный момент двигателя. Получаем:

Минимальную скорость при Uз=1В определим исходя из диапазона:

Статические характеристики системы представлены на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Статические характеристики системы управления.

Определим статизм характеристики:

4.2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ РЕЖИМОВ. ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКИХ И СТАТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Моделирование системы управления электроприводом произведем в среде имитационного моделирования «MATLAB SIMULINK». Моделирование произведем для режимов работы привода с максимальной и минимальной загрузкой. Схема модели с параболическим регулятором положения приведена на рисунке 4.2. В данной схеме объект управления представлен в виде единого блока, внутренняя структура которого показана на рисунке 4.3.

Рисунок 4.2 – Модель синтезированной САУ в среде MATLAB.

Рисунок 4.3 – Структурная схема моделирования объекта управления.

Ниже приведены результаты моделирования для первого варианта – с моментом нагрузки равным 2.2 Нм.

Рисунок 4.4 – Зависимость отработки заданного перемещения во времени.

Рисунок 4.5 – Угловая скорость вращения ротора при отработке заданного перемещения.

Рисунок 4.6 – Зависимость потокосцепления от времени.

Рисунок 4.7 – Динамический момент на валу двигателя при отработке заданного перемещения.

Рисунок 4.8 – Токи по осям х и у при отработке заданного перемещения.

На рисунках 4.9 – 4.13 представлены графики переходных процессов при моделировании системы с моментом нагрузки равным 4.4 Нм.

Рисунок 4.9 – Зависимость отработки заданного перемещения во времени.

Рисунок 4.10 – Угловая скорость вращения ротора при отработке заданного перемещения.

Рисунок 4.11  – Зависимость потокосцепления от времени.

Рисунок 4.12 – Динамический момент на валу двигателя при отработке заданного перемещения.

Рисунок 4.13 – Токи по осям х и у при отработке заданного перемещения.

5 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДИСКРЕТНОЙ ЧАСТИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, ЗАЩИТЫ И СИГНАЛИЗАЦИИ. КОРОТКОЕ ОПИСАНИЕ СХЕМЫ

    В данной схеме электропривода возможно применение различных видов защиты, которые при изменении нормальной работы электропривода путем отключения силовой части электропривода исключают выход из строя электрооборудования, тем самым, повышая надежность схемы. В электроприводах применяются следующие виды защиты:

    1) Максимальная токовая защита – должна мгновенно отключать защищаемую цепь при возникновении сверхтоков (токов короткого замыкания).

    2) Защита от перегрузки двигателя.

    3) Нулевая защита.

    4) Защита от обрыва фазы.

    5) Защита от перенапряжений.

    Рассмотрим примененные защиты в данной схеме.

    1) Максимальная токовая защита – обеспечивает защиту двигателя, преобразователя от короткого замыкания. Данная защита выполняется при помощи плавких предохранителей FU1, FU2, FU3, а также при помощи автоматического выключателя (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 – Узел максимальной токовой защиты

    При возникновении аварийного режима, максимальная токовая защита отключает преобразователь и, соответственно, весь привод от сети. Плавкие предохранители включаются между контактами линейного контактора и выключателя напряжения сети, чтобы производить замену предохранителей в обесточенной цепи.

    Определим ток плавкой вставки предохранителя:

IП = (11,25)Iном. = 1,26,7=8,04 А.

    Предохранитель выбираем по номинальному напряжению и по номинальному току плавкой вставки:

Uном.п  Uн.д = 380 В.

Iном.п  Iп.в. = 10 А.

    2) Нулевая защита – обеспечивает защиту от самозапуска двигателя при чрезмерном снижении (более 10%) или кратковременном исчезновении напряжения питающей сети. Как правило, повторный запуск должен осуществляться только при подаче соответствующей команды оператором. Защита осуществляется линейными контакторами КМ (рисунок 5.2.).

Рисунок 5.2 – Узел нулевой защиты.

    В схемах с линейными контактами при питании силовых схем и схем управления от одной питающей сети с управлением от кнопок контроль напряжения осуществляет сам контактор

3) Тепловая защита – обеспечивает защиту двигателя от перегрузки (перегрева). В повторно-кратковременных режимах работы электропривода, когда характеристики нагрева реле и двигателя различны, защита двигателя от перегрузки осуществляется с помощью максимально-токовых реле FA1. В качестве таких реле используется реле типов РЭ570 и РЭ70. Контакты реле включаются в цепь катушки линейного контактора.

В схеме электропривода можно применить контрольную и аварийную сигнализацию. Контрольная защита служит для контроля наличия того или иного сигнала или напряжения питания (рисунок 5.3а). Аварийная сигнализация указывает аварийное состояние схемы или действие той или иной защиты в схеме (рисунок 5.3б).

Рисунок  5.3 – Узлы схем сигнализации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с заданием на курсовой проект  был разработана  система управления электроприводом положения с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором со следующими характеристиками:

  •  диапазон регулирования D:        164;
  •  допустимая ошибка по положению δ, мм:    0,03;
  •  отрабатываемые перемещения s, м:     0,001-0,63.

Дополнительно система управления электроприводом обеспечивает:

отработку заданного перемещения по линейному закону;

в качестве регулятора положения используется комбинированный параболический регулятор;

в системе предусмотрены элементы защиты от токов короткого замыкания, токов перегрузки, минимального напряжения, обеспечена гальваническая развязка цепей управления и силовых цепей.

В процессе исследования системы управления было произведено имитационное моделирование, по результатам которого можно сделать вывод о том, что система удовлетворяет всем требованиям поставленным при проектировании.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1.  Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. Л.: Энергоиздат, 1982.
  2.  Справочник по электрическим машинам. В 2 т./ Под общ. ред. Ч.П. Копылова и Б.К. Клокова.-М.: Энергоатомиздат, 1988 г. (т.1)
  3.  Фираго Б.И. Учебно-методическое пособие к курсовому проектированию по теории электропривода для студентов специальности 21.05. Минск: БГПА, 1993.
  4.  Чебовский О. Г., Моисеев Л. Г., Сахаров Ю. В. Cиловые полупроводниковые приборы. Справочник. М.: Энергия, 1988.
  5.  Учебно-методическое  пособие  к  курсовому  проектированию  по  силовой  преобразовательной  технике  для  студентов  специальности  «Автоматизированные  электроприводы». –Для студентов  специальности «Автоматизированные  электроприводы» / Г.И.Гульков,  М.Н.Улащик. - Мн.: БНТУ,  2005. -  91 с.
  6.  Анхимюк В.Л., Опейко О.Ф., Михеев Н.Н. «Теория автоматического управления». – Мн.: Дизайн ПРО, 2000. – 352 с.

7. Электронные издания и Интернет ресурсы: http://www.platan.ru/pdf/ec45.pdf

  1.  Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. Л.: Энергоатомиздат, 1987.
  2.  Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. М.: Энергия, 1977.
  3.  Справочник: Резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. М.: Новое время, 1992.
  4.  Булычев А.Л., Галкин В.И., Прохоренко В.А. Аналоговые интегральные схемы. Минск: Беларусь, 1993.
  5.  Каталог фирмы «SIEMENS»: Силовые транзисторы типа IJBT.


EMBED Equation.3  

ДП

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Kэ

K2

2

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Кпх

pп

Lэ

EMBED Equation.3  

Lэ

EMBED Equation.3  

i1y

2

_

KM

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

_

Кпу

EMBED Equation.3  

_

KL

EMBED Equation.3  

А7

А8

А2

В11

В12

В13

Выход

+15В

-15В

i1y

ШД-2АИ

R5

R7

DA2

C2

Uзт

R18

Uзс

R17

DA7

R2

R4

DА1

C1

Uзпт

FU1

KM

QF1

FU2

KM

FU3

KM

220/380 В, 50 Гц

KM

SB2

SB1

КМ

б)

а)

КМ

HL

КМ

КМ

HL

КМ

FA


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

17890. ВИДІЛЕННЯ ПІДСИСТЕМ СВІТОВОГО ГОСПОДАРСТВА ТА ПОКАЗНИКИ ЙОГО РОЗВИТКУ 204 KB
  Тема 2 . ВИДІЛЕННЯ ПІДСИСТЕМ СВІТОВОГО ГОСПОДАРСТВА ТА ПОКАЗНИКИ ЙОГО РОЗВИТКУ ПЛАН Критерії виділення підсистем світового господарства. Основні показники розвитку світового господарства. Групи країн у світовій економіці. Класифікації країн за метод...
17891. ГЛОБАЛЬНА ЕКОНОМІЧНА СИСТЕМА: КОНЦЕПЦІЇ ТА МОДЕЛІ РОЗВИТКУ 101 KB
  Тема 3 . ГЛОБАЛЬНА ЕКОНОМІЧНА СИСТЕМА: КОНЦЕПЦІЇ ТА МОДЕЛІ РОЗВИТКУ ПЛАН 1. Концепції глобальної економічної системи 2. Головні елементи міжнародної економічної системи 3. Моделі економічного розвитку 1. Концепції глобальної економічної системи Світов...
17892. МІЖНАРОДНА ТОРГІВЛЯ 354.5 KB
  тема 4. Міжнародна торгівля 1. Сутність міжнародної торгівлі та її роль в системі світогосподарських зв’язків. Еволюція теорій міжнародної торгівлі 2. Види та методи сучасної міжнародної торгівлі 3. Міжнародна торгівля послугами 4. Показники міжнародної торгівлі 5.
17893. Світова економіка: суть, основні закономірності і тенденції її розвитку на рубежі ХХ-ХХ1вв 53 KB
  Лекція 1. Світова економіка: суть основні закономірності і тенденції її розвитку на рубежі ХХХХ1вв. Світова економіка є складною системою що включає безліч складових її елементів. Основу цієї системи утворюють міжнародне і обмежене рамками окремих держав національне в...
17894. Субєкти сучасного світового господарства і система показників, що характеризують їх місце в світовій економіці 45.5 KB
  Лекція 2. Суб'єкти сучасного світового господарства і система показників що характеризують їх місце в світовій економіці. 1. Основні типи держав і їх економічних об'єднань в світовій економіці У міжнародній практиці всі країни світу підрозділяються на три основні груп
17895. Міжнародна економічна інтеграція 54 KB
  Лекція 3. Міжнародна економічна інтеграція 1. Зміст і форми міжнародної економічної інтеграції Міжнародна економічна інтеграція це процес господарськийполітичного об'єднання країн на основі розвитку глибоких стійких взаємозв'язків і розподілу праці між націонал
17896. Глобальні проблеми в світовій економіці на рубежі XX - XXI вв 82 KB
  Лекція 4. Глобальні проблеми в світовій економіці на рубежі XX XXI вв. 1. Екологічна криза як глобальна проблема Екологічна проблема має багатовікову історію проте вона загострилася з другої половини XIX в. у міру індустріалізації планети. За останні 100 років було знищено б...
17897. Природно-ресурсний потенціал сучасного світового господарства 79 KB
  Лекція 5. Природноресурсний потенціал сучасного світового господарства 1. Територія сільськогосподарські угіддя До природних ресурсів що все ширше використовуються в ході розвитку суспільства і створюють умови його існування в першу чергу відноситься земля. Зем
17898. Людські ресурси світового господарства 90 KB
  Лекція 6. Людські ресурси світового господарства 1. Чисельність і темпи зростання населення Землі Дані про чисельність населення отримують на основі регулярних загальних переписів населення що проводяться зазвичай один раз в 10 років а в проміжках між ними шляхом р...