Синтез системы автоматизированного управления электроприводом ленточного конвейера дозатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Одним из наиболее прогрессивных видов транспорта, обеспечивающих высокую производительность при больших грузопотоках, является конвейерный транспорт. В современном производстве конвейеры являются неотъемлемой частью технологического процесса, они регулируют темп производства, обеспечивают его ритмичность, способствуют повышению производительности труда, позволяют решать вопросы комплексной механизации транспортно-технологических процессов. Непосредственная связь конвейерных машин с общим технологическим процессом производства предъявляет к ним особые требования в отношении прочности и способности работать в автоматических режимах.

Конвейерный транспорт имеет значительные преимущества перед традиционным автомобильным и железнодорожным: работник не участвует в собственно транспортном процессе, а занят только обслуживанием механизмов, что обеспечивает более высокую производительность труда и его безопасность; требуется использование только электрической энергии, тогда как колесный транспорт потребляет в основном более дорогое натуральное органическое топливо.

Целью данного курсового проекта является синтез системы автоматизированного управления электроприводом ленточного конвейера дозатора.



1. Технические характеристики механизма. Требование к САУ электропривода

Машины для ленточных конвейеров изготавливается, для различных условий использования по степени загрузи, времени работы, интенсивности ведения операций, степени ответственности операций на конвейере и климатического фактора эксплуатации.

Регулирование скорости в данной САУ происходит ниже номинальной.

Любое движение механизма происходит в условиях разгона, установившейся скорости перемещения и торможения до остановки.

Динамические показатели контролируются ограничением ускорения в

пределах а=0.04 м/с².

Рассчитаем угловую скорость двигателя:

рад/с.

где n=2000 об/мин - рабочая частота вращения двигателя. Данная рабочая скорость должна быть меньшей или равной номинальной угловой скорости выбираемого электродвигателя.

Определим требуемую мощность двигателя, Вт:

Вт

управление отель информационный бронирование

М_пр = 18 Н•м - требуемый момент электродвигателя.

Также система автоматического управления должна обеспечивать плавный пуск и остановку двигателя.

Скорости:

Пониженная 0,02 м/с

Рабочая 0,25 м/с

Диапазон егулирования:

2. Выбор системы электропривода и типоразмера электродвигателя

Выбор системы электропривода осуществляется на основе анализа сравнительных технических данных, а именно: диапазона регулирования, способа управления, ресурса (уровня износостойкости), диапазона возможных мощностей электроприводов, показатели энергетики и динамики, а также дополнительных данных, определяющих условия эксплуатации электроприводов. Экономическая оценка систем управления должна базироваться на принципе минимальных расходов, связанных с первоначальными затратами, эксплуатационными затратами на ремонт, а также затратами на ремонт, а также затратами энергии. Выбирается система, обладающая наилучшими экономическими показателями. Если экономические показатели сравниваемых систем близки, то производится дополнительная оценка по массогабаритным показателям и условиям размещения электрооборудования. Выбранная система электропривода должна оптимально подходить для условий работы ленточного конвейера, необходимо рационально использовать ее ресурсы. В настоящее время наибольшее распространение получили системы электроприводов переменного тока, т.к. они надежнее электроприводов постоянного тока.

Рассмотрим несколько систем электроприводов, пригодных для данной рабочей машины.

Рассмотрим привода, в которых применяются двигатели постоянного тока.

Система ТП-Д привлекает высоким КПД, лучшими массогабаритными показателями, лучшей технологичностью и меньшей потребностью дефицита меди и электротехнической стали. Однако вызывает беспокойство качества энергопотребления.

Если остановить выбор на системе ТП-Д можно предпринять усилия для улучшения её технико-экономической эффективности за счёт уменьшения требуемой мощности регулирования ФКУ. Применив аналогичный ТП с искусственной коммутацией вентилей, можно практически полностью исключить реактивную мощность сдвига и ограничиться установкой нерегулируемого фильтра наиболее существенных гармоник. Приводы постоянного тока содержат дорогостоящие электродвигатели по сравнению с двигателями переменного тока, что определяет в целом высокую стоимость электропривода. Кроме того, двигатель постоянного тока нуждается в квалифицированной эксплуатации, а его применение в тяжелых условиях окружающей среды связано с серьёзными конструктивными затруднениями.

Наиболее распространенным видом двигателя вследствие своей простоты и наименьших капитальных вложений является короткозамкнутый асинхронный электродвигатель. Этот вид двигателя применяется от самых малых мощностей до нескольких тысяч киловатт.

Электропривод с двигателями переменного тока с частотным управлением по стоимости значительно дороже приводов постоянного тока, однако он обладает преимуществами, определяемыми конструктивными достоинствами асинхронного короткозамкнутого двигателя.

Рассмотрим несколько вариантов систем с асинхронными двигателями.

Система НПЧ-АД применяется для электроприводов средней и большой мощности в основном в подъемно-транспортных машинах для регулирования на низких скоростях.

Система ПЧ(АИН) - АД применяется как для одиночных так и для групповых приводов как правило когда не требуется высоких динамических показателей. При широтно-импульсной модуляции выходного напряжения стартовая частота в лучших моделях достигает 0.2 Гц.

Так же необходимо отметить и частотно-токовый способ управления. При частотно-токовом способе управления асинхронными двигателями сигнал на входе электропривода формирует момент на валу электродвигателя. Механические характеристики привода являются мягкими. Так как функциональная зависимость момента электродвигателя переменного тока от величины тока является более прочной, чем от величины напряжения, входной сигнал формирует ток. Мгновенные значения токов в фазах обмотки определяется входными сигналами (требуемым моментом) и положением ротора.

Они должны соответствовать требованиям к мгновенным значениям токов многофазной симметричной системы.

Отличительной чертой приводов с частотно-токовым управления является применение в них преобразователей энергии на основе усилителей тока, представляющих собой усилители напряжения, охваченные глубокой отрицательной связью по мгновенным значениям токов фаз электродвигателя. В этом случае напряжение на фазах электродвигателя автоматически формируется преобразователем энергии для заданного режима.

Преимущества частотно-токового управления:

высокие статические и динамические показатели электропривода, момент на валу является линейной функцией входного сигнала для всех скоростей привода;

исключается возможность выпадения из синхронизма, опрокидывание и качание электродвигателей переменного тока;

при достаточно простых технических средствах возможно оптимальное использование электродвигателей для получения как максимального момента на валу при заданном токе, так и высоких энергетических показателей;

высокая надежность работы преобразователя энергии, так как осуществляется контроль за мгновенными значениями токов фаз двигателя.

Перед выбором необходимой нам системы необходимо указать, что модернизируемая нами рабочая машина требует неглубокого диапазона

Проанализировав техникоэкономические показатели можно выделить одну систему электропривода: система ПЧ-АД с ориентацией координатной системы по направлению вектора потокосцепления ротора (векторное управление) наиболее лучше подходящей для реализации данного проекта.

Согласно проведенному расчету по предварительно рассчитанной мощности и номинальной частоты вращения выбираем асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором серии 4A: 4A100S4Y3 [3].

Таблица.2.1. Параметры электродвигателя 4A100S4Y3

Рд, Вт	КПД	cosц, %	R`1, о.е	R``2, о.е	Х`1,о.е	Х``2, о.е	Хµ1, о.е	Uhom, B	Рд
3	82	0,83	0,078	0,053	0,079	0,13	2,2	220	2

Sн, %	Jд, Н•м
4,4	0,0087

3. Выбор силового электрооборудования и расчет его параметров

Так как в справочнике параметры схемы замещения электродвигателя приведены в относительных единицах, то приводим их к абсолютным.

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Где Iн - номинальный ток (6,10)

и_н - номинальное фазное напряжение (В)

- номинальный КПД - КПД при нагрузке 100% (о.е.),

cos ф - номинальный коэффициент мощности - при нагрузке 100% (о.е.).

Активные сопротивления схемы замещения соответствуют активным сопротивлениям обмотки фазы, а индуктивности статора и ротора рассчитываем по соотношениям, [6]:

Гн

Гн

где: , - индуктивности рассеяния статора и ротора, соответственно:

мГн

мГн

где f_c - частота напряжения сети (50 Гц);

L12 - взаимоиндуктивность между обмотками статора и ротора.

- угловая скорость вращения напряжения сети

Гн

Индуктивность рассеяния двигателя [6]:

Коэффициенты электромагнитной связи статора и ротора [6]:

Номинальные параметры двигателя определяются следующим образом: _н - номинальная угловая скорость вращения (с^-1):

с^-1

где S_H - номинальное скольжение (о.е.), -синхронная скорость при номинальной частоте напряжения:

рад/с

где число пар полюсов р_д = 2; _0элн - номинальная синхронная скорость поля статора (_0элн = _с).

Номинальный момент:



Н*м

Номинальное потокосцепление статора [6]:

- номинальное потокосцепление ротора [6]:

Учтем, что номинальные параметры: напряжение, ток, потокосцепление, следует привести от трехфазной к двухфазной модели, используя коэффициент согласования.

Исходя из расчетных данных мощности двигателя выберем преобразователь частоты Siemens MICROMASTER 440 со следующими параметрами.



Таблица.3.1. Характеристики преобразователя Siemens MICROMASTER 440 6SE64402UD222BA1

Номинальная мощность двигателя	3 кВт
Класс напряжения	400
Напряжение питания	380В…480В АС, режим работы ЗАС
Режим работы	ЗАС

1. Типовое применение.

MICROMASTER 440 широко применяется в системах перемещения грузов, а в различных областях управления технологическими процессами текстильной индустрии, подъемно-транспортной технике, машиностроении, пищевой промышленности.

2. Описание серии MICROMASTER 440.

Преобразователи частоты Siemens MICROMASTER 440 предназначены специально для управления электроприводами, работающими в условиях с тяжелыми динамическими характеристиками в постоянном и «вентиляторном» режимах нагрузки. Они незаменимы там, где требуется мощеная функциональность и большая динамическая реакция. То есть, для процессов с высокой динамикой и повышенными требованиями к стартовому моменту и перегрузке. Благодаря наличию режима векторного управления (с и без обратной связи по скорости) преобразователь MICROMASTER 440 может использоваться для решения задач, требующих применения приводов с широким диапазоном регулирования.

3. Особенности серии Siemens MICROMASTER.

MICROMASTER 440 был специально разработан для решения сложных функциональных задач с высокими требованиями к динамике. Сложная векторная система управления гарантирует постоянное высокое качество привода, даже когда происходят внезапные изменения нагрузки. Благодаря интегрированному тормозному резистору, привод под управлением MICROMASTER 440 работает с высокой точностью даже во время торможения и в режимах резкого замедления скорости, а также при отработках малых расстояний. Все это возможно в диапазоне мощностей от 0.37 кВт до 200 кВт, поэтому гибкость MICROMASTER 440 обеспечивает ему широкий спектр применений.

4. Функциональные параметры электронной части MICROMASTER 440:

- векторное регулирование без датчика скорости;

- регулирование потока (FCC) для улучшения динамических характеристик и повышения качества регулирования;

- мгновенное ограничение тока (FCL) для работы ПЧ без отключение двигателя;

- встроенное динамическое торможение постоянным током;

- комбинированное торможение для улучшения возможностей торможения; - времена ускорения и торможения с программируемым сглаживанием; - использование замкнутого PID регулятора с автоподстройкой;

- встроенный прерыватель тормоза;

- выбираемая интенсивность разгона и остановки;

-4-х точечная интенсивность сглаживания;

- многоточечная U/f характеристика, задаваемая пользователем; - установленные параметры могут быть перенесены на другие устройства аналогичных процессов.

Технические характеристики MICROMASTER 440 приведены в таблице 3.2.

Диапазон напряжений и мощностей:	380-480 В, ± 10%, 3 АС, от 0.37 до 250 кВт
Рабочая температура:	от 0.12 до 75 кВт (СТ): от-10°С до +50°С от 90 до 200 кВт (СТ): от 0°С до +40°С
Тип управления:	Встроенный PID регулятор (автонастройка), Векторное управление, Поддержание потока двигателя постоянным (FCC), Скалярное управление, параметрируемая U/f характеристика
Входы:	6 цифровых входов, 2 аналоговых входа, 1 PTC/KTY вход
Выходы:	2 релейных выхода, 2 аналоговых выхода.
Интеграция в системы автоматизации:	Идеальный вариант для интеграции в системы автоматизации начиная с SIMATIC S7-200 до системы Комплексной Автоматизации (TIA) с SIMATIC и SIMOTION
Класс защиты:	IP 20
Способ управления:	V/f-управление
Последовательный интерфейс:	RS-485 (в качестве принадлежности RS-232)
Встроенный тормозной блок
Встроенный ПИД-регулятор (с функцией автоподстройки).
Охлаждение:	вентилятор, радиатор

MICROMASTER 440 с векторным управлением без датчика обратной связи (Vector Control Sensorless), применяются для процессов с высокой динамикой и повышенными требованиями к стартовому моменту и перегрузке. Поставляется в комплексе со статусной панелью оператора.

Особенности защиты преобразователя частоты MICROMASTER 440:

- защита от повышенного и пониженного напряжений;

- защита преобразователя от перегрева;

- защита от замыкания на землю.

- защита от короткого замыкания.

- защита от перегрева двигателя по потерям I*I*t.

- защита двигателя термисторами PTC/KTY.

Схема подключения преобразователя частоты представлена на рисунке 3.1



Рис. 3.1 подключение преобразователя частоты к трехфазной питающей сети

4. Разработка структуры САУ

Функциональная схема системы векторного управления показана на рис. 4.1. Система имеет два канала управления: модулем вектора потокосцепления ротора и угловой скоростью ротора. Двухканальная система управления дает возможность осуществить независимое регулирование модуля вектора потокосцепления ротора и скорости ротора при сохранении прямой пропорциональности между моментом, развиваемым двигателем, и составляющей намагничивающей силы статора, находящейся в квадратуре с волной потокосцепления ротора.

Для пересчета переменных из неподвижной системы координат в систему координат, связанную с потокосцеплением ротора, используется вектор-фильтр (ВФ) и координатный преобразователь КП2. Вектор-фильтр осуществляет выделение модуля вектора потокосцепления ротора || и тригонометрические функции cosи и sinи, синфазные первым гармоническим составляющим и

Координатный преобразователь КП2 осуществляет ортогональное преобразование - поворот вектора намагничивающей силы статора на угол, равный мгновенной фазе вектора потокосцепления потока в осях б-в относительно неподвижных осей х-у в соответствии с формулами, записанными через токи статора:



В системе управления пренебрежение внутренней обратной связью по ЭДС двигателя технически реализуется путем применения блока компенсации (БК), в который вводятся координаты , , || и производятся соответствующие алгебраические преобразования.

Поддержание заданных значений токов i_]x, i_]y, модуля вектора потокосцепления ротора и угловой скорости ротора осуществляется с помощью регуляторов (РПТ, PC, РТ1, РТ2).

Обратное координатное преобразование токов статора осуществляется блоком (КП1).

Преобразование потокосцепления взаимоиндукции в потокосцепление ротора осуществляется блоком.

Фазное преобразование токов статора осуществляет блок (ПФ2).

Преобразование управляющих сигналов из двухфазной системы в трехфазную осуществляются блоком (ПФ1).

Последовательно с регулятором скорости (PC) устанавливается блок деления (БД), компенсирующий влияние узла произведения при формировании электромагнитного момента. Тем самым обеспечивается постоянство передаточного коэффициента разомкнутой по скорости системы при изменении потокосцепления ротора.

(ЗИ) - Задатчик интенсивности.



5. Синтез систем автоматического регулирования и выбор контуров регулирования

Расчет параметров модели системы векторного управления

Структурная схема упрощенной модели системы векторного управления асинхронным двигателем представлена на рис. 5.1. Ниже рассчитаем недостающие параметры модели двигателя.

Эквивалентное сопротивление [6]:



Ом

Эквивалентная постоянная времени [6]:

Эквивалентная постоянная времени статора [6]:

Постоянная времени ротора [6]:

Электромеханическая постоянная времени [6], определяемая внутренней обратной связью двигателя по ЭДС в канале управления скоростью:

где - номинальное потокосцепление ротора по оси х [6]:

- суммарный момент инерции привода

- суммарный момент инерции привода

Постоянная времени инвертора определяется частотой модуляции. Принимаем равной Тп=2 мс.



После выбора номинальных значений сигналов задания потокосцепления U_3пн=5B, скорости U_3npн=5B, токов U_3тн=5B и сигнала управления напряжением U_yн=5B определим коэффициенты передачи:

- коэффициент передачи обратной связи по потокосцеплению (В / Вб):

- коэффициент передачи обратной связи по скорости (В-с/рад):

- коэффициент передачи обратной связи по току (В/А):

коэффициент передачи инвертора по напряжению (о.е.):

Синтез системы векторного управления

При рассмотрении контура тока i_lx пренебрегаем положительной обратной связью по потокосцеплению. Также в контур вводится отрицательная обратная связь для компенсации ,, i_lx. Тогда структурная схема контура тока i_lx будет иметь вид, представленный на рис. 5.2.1.

Рис. 5.2.2 Структурная схема контура регулирования тока i1x. Структурная схема контура регулирования тока i1x

Объектом регулирования контура тока i_lx является апериодическое звено:

Для настройки на технический оптимум необходим ПИ-регулятор:

Выбрав в качестве малой постоянной времени контура постоянную времени инвертора = Т_п = 2 мс

Для синтеза внешнего контура регулирования потокосцепления представим передаточную функцию замкнутого контура регулирования тока i_lx в виде:

Тогда структурная схема контура потокосцепления ротора примет вид, представленный на рис. 5.2.2.

Рис. 5.2.2. Структурная схема контура регулирования потокосцепления

При таком объекте регулирования для настройки на технический оптимум необходим ПИ-регулятор:

При выборе малой постоянной времени контура мс

параметры регулятора:

Т_РП = Т₂ = 0.14;



В контуре регулирования тока i_ly вводится компенсирующая положительная обратная связь по ,, i_ly. С учетом этого структурная схема контура имеет вид, показанный на рис. 4.2.3. Структура контура аналогична структуре контура тока якоря электропривода постоянного тока. После преобразования получим передаточную функцию объекта регулирования:

Рассчитаем параметры объекта регулирования в зависимости от соотношения постоянных времени Т_м = 0.0057 и Т_э1 = 0.008237 по формулам:

За малую постоянную времени контура берем постоянную времени инвертора мс. По аналогии с контуром тока якоря электропривода постоянного тока, при (Т_м = 0.0057) обратной связью по ЭДС нельзя пренебречь.

Рис. 5.2.3. Структурная схема контура регулирования тока i_ly



Для настройки на технический оптимум необходим ПИД-И-регулятор

с параметрами =

Т.о. передаточная функция регулятора потокосцепления будет:

Заменив контур регулирования тока i_ly эквивалентным апериодическим звеном:

получим структурную схему контура регулирования скорости, показанную на рис. 5.2.4. На ней учтено, что для компенсации изменения потока на выходе регулятора скорости стоит делитель. Объект регулирования контура - интегрирующий.



Для настройки на технический оптимум необходим П-регулятор:

где малая постоянная времени контура скорости определяется эквивалентной постоянной времени контура тока.

Рис. 5.2.4. Структурная схема контура регулирования скорости.

Для получения значения статической ошибки контура по моменту сопротивления запишем передаточную функцию замкнутого контура скорости по возмущению:



Заключение

В данном курсовом проекте была синтезирована САУ электроприводом ленточного конвейера-дозатора. Выбрана система векторного управления фирмы Siemens.

В ходе выполнения курсового проекта был произведен выбор силового оборудования и расчет параметров электропривода, разработана структура системы автоматического управления, произведен синтез системы автоматического регулирования, анализ статических и динамических показателей системы, синтез системы включения электропривода и выбор аппаратов.

автоматический управление электропривод конвейер



Литература

1. Яурэ А.Г., Певзнер Е.М. Крановый электропривод: Справочник.-М.:Энергоатомиздат, 1988.

2. Асинхронные двигатели серии 4А. Справочник. А.Э. Кравчик.М.:1982.

3. Руководство пользователя преобразователей MICROMASTER 440, издание А1.

4. Рудаков В.В. и др. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. В.В. Рудаков, И.М. Столяров, В.А. Дартау. - Л.:Энеогоатоииздат, Ленинградское отделение, 1987.

5. Ключев В.И. Теория электропривода, силовых и осветительных установок. Под ред. Я.М. Большама, В.И. Круповича, М.Л. Самовера. Изд. 2-е перераб. И доп. М., №Энергия», 1974.

6. Практическое руководство к практическим занятиям по дисциплине «Системы управления электроприводами» для студентов специальности 1-53 01 05. В.С. Захаренко. - Гомель 2006.

Размещено на Allbest.ru

...