Система управления скоростью механизма

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Развитие средств вычислительной техники и внедрение их в системы автоматического управления определяет новый этап в развитии систем автоматизированных электроприводов, в частности тиристорных регулируемых приводов с двигателями переменного тока. Возможность контроля и управления текущими координатами машин переменного тока в различных пространственных осях отсчета открыло новые возможности развития и совершенствования регулируемых приводов переменного тока. Так, за рубежом все чаще применяются регулируемые электроприводы переменного тока по системе «Трансвектор», а в нашей стране -- аналогичные системы, именуемые системами регулируемых приводов с частотно-токовым и векторным управлением. Такие электроприводы имеют ряд преимуществ по сравнению с электроприводами постоянного тока: более высокие динамические показатели, высокая перегрузочная способность, практически неограничиваемую единичную мощность и более высокий КПД. Это обуславливает все большее применение тиристорных регулируемых приводов с двигателями переменного тока, в том числе и в тех областях, где традиционно использовались электроприводы с двигателями постоянного тока.

Целью выполнения курсового проекта является углубление и закрепление основных сведений по курсу СУЭП.

Задание

Спроектировать систему управления скоростью механизма, имеющего следующие параметры:

= 22,8 кг·м2

= 608 Н·м

=1,8

и работающего по следующей тахограмме:

Диапазон регулирования двигателя: 50

Время разгона/торможения двигателя: 0,5с

Систему управления выполнить на элементах УБСР-АИ



Блок-схема: ДС датчик скорости.

ДТ, ДП датчик тока и потокосцепления ротора.

КПП, КПТ координатные преобразователи потока и тока. Предназначены для преобразования сигналов, пропорциональных измеренным фазным значениям iA, iB, A, B, к неподвижной системе координат ,

Преобразователи собраны на суммирующих усилителях. Их работа основана на следующих соотношениях:

КПН координатный преобразователь напряжения. Преобразует полученные сигналы к трехфазной системе координат, которые используются для управления преобразователем частоты.

Устройство выполнено на суммирующих усилителях и реализует следующие соотношения:

КИ координатный индикатор. Предназначен для преобразования полученных величин к системе координат, ориентированной по полю. Необходимо определить угол к между направлением вектора 2 и неподвижными осями статора. Для этой цели вычисляется модуль потокосцепления ротора и сигналы, пропорциональные sinк и cosк.

ВП блок векторного поворота. Предназначен для перехода к вращающейся системе координат и обратно.

Прямое преобразование:

Обратное преобразование:

БР блок развязки. Предназначен для устранения взаимного влияния контуров регулирования U1x, U1y.

РТА, РТР - регуляторы активного и реактивного тока (ПИ)

РП - регулятор потока (ПИ)

РС - регулятор скорости (ПИ)

Функциональная схема

1. Выбор двигателя

Выбор двигателя осуществляем по двум основным параметрам мощность, номинальная скорость вращения. (Ориентируемся на двигатель постоянного тока Д812)

Выбираем асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором 4МТКН225L8.

Р = 37 кВт

ПВ% = 40%

= 83%

nном = 710 об/мин

cos = 0,78

Jд = 0,8 кгм2

Ммах = 1470 Нм

Iном = 86 А

= 29 А

2p = 8

U = 380 В

f = 50 Гц

r1=0,386 Ом

r2=0,253 Ом

x1=0,228 Ом

x2=0,357 Ом

Параметры, приведенные к валу двигателя:

Н·м

кг·м2

Время разгона привода:

= 0,51 с

2. Выбор преобразователя частоты

В настоящее время используются главным образом тиристорные преобразователи частоты, которые можно разделить на три группы:

Преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока.

Преобразователи с непосредственной связью.

С промежуточным звеном повышенной частоты.

ТПЧ с промежуточным звеном постоянного тока:

В преобразователях данного типа переменное напряжение питающей сети выпрямляется и через фильтр подается на автономный инвертор, который в свою очередь преобразует постоянное напряжение в переменное с регулируемой частотой.

В тех случаях, когда регулирование напряжения обеспечивается с помощью автономного инвертора или специального импульсного преобразователя в звене постоянного тока, возможно использование выпрямителя на неуправляемых вентилях.

Выходная частота преобразователя может регулироваться в широком диапазоне. Это обстоятельство является основным достоинством ТПЧ с промежуточным звеном постоянного тока.

К их недостаткам можно отнести двукратное преобразование энергии, что снижает КПД и увеличивает массу и габариты. Также худшие весогабаритные показатели ТПЧ с промежуточным звеном постоянного тока обуславливаются наличием силового фильтра, содержащего батарею конденсаторов значительной емкости либо реактор со значительной индуктивностью.

ТПЧ с непосредственной связью:

В преобразователях данного типа выпрямление переменного напряжения источника энергии и преобразование его в переменное напряжение требуемой частоты совмещено в одном устройстве.

Сущность преобразования частоты в этих устройствах сводится к подключению нагрузки к источнику энергии через две встречновключенные вентильные группы, каждая из которых периодически открывается на время, равное полупериоду выходного напряжения. Благодаря такой поочередной работе вентильных групп напряжения на нагрузке периодически меняет знак. Изменяя время работы вентильных групп, можно изменять частоту выходного напряжения. Огибающая выходного напряжения при этом формируется из участков питающего напряжения.

Достоинства:

1. Одностороннее преобразование энергии, как следствие высокое КПД, малые габариты и масса.

2. Возможность, при определенном алгоритме управления, свободного обмена реактивной энергии и возможность передачи активной энергии от нагрузки в сеть.

3. Возможность получить сколь угодно низких частот выходного напряжения преобразователя и обеспечить равномерное вращение двигателя на малых скоростях.

4. Практически неограниченная мощность.

Недостатки:

1. Низкий cosц.

2. Большой процент высших гармоник.

3. Сложность системы управления и силовых цепей, что является оправданным лишь при выполнении преобразователя на сравнительно большие мощности.

4. Ограниченность максимального значения выходной частоты.

ПЧ с промежуточным звеном повышенной частоты:

Используя свойство обратимости ПЧ и принудительную коммутацию на стороне однофазного тока, можно посредством обращенного фазорасщепителя преобразовать трехфазное напряжение промышленной частоты в однофазное переменное напряжение высокой частоты. Напряжение промежуточного звена однофазного переменного тока высокой частоты далее можно преобразовать в трехфазное напряжение регулируемой низкой частоты с изменяемой амплитудой посредством обычной схемы ПЧфазорасщепителя.

Достоинства:

1. Так как преобразователь данного типа обладает двухсторонней проводимостью, то возможен обмен реактивной энергии и возможность передачи активной энергии от нагрузки в сеть.

Недостатки:

1. Двукратное преобразование энергии, что снижает КПД.

2. Большой процент высших гармоник.

3. Сложность системы управления и силовой схемы.

4. Малый диапазон возможных выходных частот.

3. Выбираем ТПЧ с промежуточным звеном постоянного тока

Для построения системы автоматического регулирования прежде всего важны свойства преобразователя частоты как источника электрической энергии: является ли он источником тока или напряжения. Как правило, исполнение преобразователя частоты как источника энергии оказывает влияние на силовую схему, режим управления и возможности по регулированию.

Если необходимо, чтобы разгон и торможение происходило при постоянном токе, то обычно выбирают АИТ.

Существенным достоинством АИН при работе на двигатель переменного тока является однозначная зависимость выходного напряжения от входного и практическая независимость выходного напряжения от изменения нагрузки и коэффициента мощности.

При работе АИТ на активно-индуктивную нагрузку необходимо ограничивать коммутационные перенапряжения, ограничивать скорость изменения тока при смене его полярности.

Выбираем ПЧАИН с междуфазовой коммутацией:

Название этой схемы происходит из-за того, что выключение тиристоров здесь происходит одновременно с включением тиристора соседней фазы.

В данной схеме коммутирующие конденсаторы выбираются лишь из условия обеспечения необходимого времени восстановления управляющих свойств тиристоров, поэтому их емкость мала. Реакторы L1 и L2 необходимы для того, чтобы предотвратить быстрый разряд коммутирующих конденсаторов через обратные диоды.

Цепи подзаряда коммутирующих конденсаторов показаны на структурной схеме.

Включение конденсаторов параллельно двигателю приводит к возникновению автоколебаний в системе. Поэтому в этой схеме конденсаторы отделены от нагрузки с помощью отсекающих диодов.

При частотном регулировании скорости асинхронных двигателей возникает необходимость в регулировании не только частоты, но и напряжения на выходе преобразователя, причем независимо. Наиболее простой и часто применяемый на практике амплитудный способ заключается в регулировании постоянного напряжения на входе инвертора. Достоинством такого способа регулирования является простота системы и неизменность гармонического состава напряжения на выходе преобразователя. Его основной недостаток заключается в том, что при уменьшении напряжения на выходе управляемого выпрямителя снижается коэффициент мощности, потребляемой от сети.

Более совершенным является широтно-импульсный способ регулирования, заключающийся в том, что длительность открытого состояния тиристоров не остается постоянной в течение полупериода выходной частоты, а изменяется по синусоидальному закону. Если при этом частота переключения тиристоров (несущая частота) существенно выше выходной частоты инвертора (частоты модуляции), то в спектре выходного напряжения кроме основной гармоники присутствуют лишь гармоники весьма высокого порядка, которые легко отфильтровываются индуктивностями двигателя.

Достоинствами широтно-импульсного регулирования по сравнению с амплитудным способом являются:

Высокое быстродействие, т. к. фильтр на выходе нерегулируемого выпрямителя исключен из каналов регулирования параметров выходного напряжения преобразователя.

Хорошая форма выходного напряжения (что обеспечивает улучшенную равномерность вращения двигателя и расширенный диапазон регулирования скорости).

Существенное упрощение выпрямителя (он может быть неуправляемым).

Точное соответствие выходного напряжения управляющим сигналам.

Недостатки:

Сложность схемы инвертора и систем управления.

Малый КПД АИН из-за частого переключения ключей.

индикатор двигатель импульсный

4. Выбираем широтно-импульсный способ регулирования

Тиристорный преобразователь по требуемой мощности:

62,9 кВт

Выбираю преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией ТПЧ63II.

Параметры ТПЧ63II:

Мощность: 63 кВт

Диапазон регулирования частоты: 5-60 Гц

КПД: 0,9

Масса: 1200 кг

Максимальное напряжение: 380 В

Ток: 100 А

5. Расчет структурной схемы

Система векторного управления с опорным вектором || была предложена фирмой «Сименс» под названием «Трансвектор». Система построена в виде двух каналов: канала стабилизации модуля потокосцепления ротора и канала управления скоростью вращения ротора.

Система дифференциальных уравнений, описывающих динамику асинхронного двигателя в системе координат, связанных с вектором потокосцепления ротора, имеет вид:

Уравнение вектора потокосцепления ротора || и составляющей тока /s2:

Опираясь на систему дифференциальных уравнений, рассмотрим структуру, позволяющую осуществить управление модулем потокосцепления ротора и угловой скоростью ротора.

Потокосцепление ротора непосредственно не зависит от составляющей , поэтому канал управления можно строить двухконтурным - с внутренним контуром управления по току статора и с внешним по модулю потокосцепления ротора.

Канал управления угловой скоростью ротора также содержит два контура управления - внутренний, по току статора и внешний, по угловой скорости ротора.

В контурах составляющих тока статора и присутствуют перекрестные связи, пропорциональные произведениям мгновенных частот вращения вектора роторного потокосцепления и угловой скорости ротора. Их значения, соотнесенные с напряжениями, равны:

В контуре

В контуре

Компенсация перекрестных связей осуществляется путем развязки каналов. В схеме применена прямая компенсация для развязки каналов. При прямой компенсации использован сигнал, пропорциональный мгновенной частоте вращения вектора потокосцепления ротора .

Контуры управления составляющими тока статора и снабжены ПИ-регуляторами. На схеме обозначены:

- эквивалентная постоянная времени преобразователя частоты

При = const уравнения для установившихся режимов будут:

Очевидно, что с ростом нагрузки значение главного потокосцепления растет и, следовательно, возникает насыщение стали машины, что недопустимо. Таким образом, при увеличении нагрузки необходимо уменьшать заданное значение модуля потокосцепления ротора.



= 0,0007257 Гн

= 0,001136 Гн

Ом

0,041 Гн

= 0,042 Гн

0,042 Гн

0,001831 Гн

0,001849 Гн

0,0029 c

c

= 0,246 Ом

= 3191

= 0,246 Ом

=3191

Ом

Вб

6. Расчет коэффициентов обратных связей

Коэффициент обратной связи по скорости:

=0,134 Вс/рад

Коэффициент обратной связи по току активному:

= 0,116 В/А

Коэффициент обратной связи по току реактивному:

= 0,345 В/А

Коэффициент обратной связи по потоку:

= 8,187 В/Вб

Использование компенсационных связей дает возможность выполнять синтез регуляторов потока и тока с передаточными функциями, независимыми от координат системы стабилизации скорости. Аналогичные условия автономности применимы и при синтезе регуляторов скорости и тока .

7. Синтез регуляторов тока

Контуры активного и реактивного тока настроим на модульный оптимум.

Желаемая передаточная функция разомкнутого контура тока:

За малую некомпенсируемую постоянную времени примем постоянную времени преобразователя, равную 0,002 с.

Передаточная функция разомкнутого контура тока:

=38

Отсюда передаточная функция регуляторов тока:

Синтез регулятора потокосцепления:



=

8. Синтез регулятора скорости

Поскольку задан диапазон регулирования 50, то необходима настройка на симметричный оптимум

=

9. Расчет фильтров

Постоянная фильтра контуров тока:

Важной задачей для АИН с ШИМ является оптимально выбрать частоту коммутации ключей (fkнесущая частота).

Увеличение несущей частоты:

Обеспечивает уменьшение гармонических составляющих тока двигателя.

Расширяет диапазон рабочих частот системы преобразователь двигатель.

Повышает динамическую точность воспроизведения широтно-импульсными модуляторами входного задающего воздействия.

Увеличиваются коммутационные потери в АИН и снижается его полезная мощность.

Значение несущей частоты выбирается в большинстве случаев как fk=(810)fs, где fsчастота модуляции.

В спектре тока наибольшую амплитуду имеют гармонические составляющие, частота которых практически равна несущей частоте. Максимальная частота модуляции fs = 60 Гц, тогда fk = 600 Гц.

0,0026 с

где S коэффициент подавления помех (примем S = 10)

10. Постоянная времени фильтра контура потока

В зазоре машины поле несинусоидальное, что обуславливает наличие определенного спектра частот магнитного поля, к этому добавляются пульсации, связанные с зубцами статора

0,0026 с

Постоянная времени фильтра контура скорости:

0,0017 с

== 900 Гц

11. Моделирование

Задание с 50% набросом нагрузки при ходе вперед:

Отработка задания:



Управление при минимальной скорости:

Механическая характеристика:

Механическая характеристика при минимальной скорости:

12. Выбор датчиков

Для работы схем управления электропривода, необходима информация о текущих значениях его скорости, тока, момента, ЭДС и других координат. Устройства, которые выдают подобную информацию в виде электрических сигналов, получили название измерительных преобразователей или датчиков.

13. Выбор датчика тока

В системах автоматического управления электроприводом сигнал, пропорциональный току может быть получен с помощью шунта, трансформатора тока.

Основной проблемой при создании датчиков тока является проблема гальванического разделения силовых цепей и цепей управления. Наиболее простым способом разрешения этой проблемы является применение трансформатора тока. Также возможен вариант с применением принципа модулятора-демодулятора.

Выбираем трансформатор тока: TФНД110-Д/Д/0,5

Номинальный первичный ток 50-100 А

Вторичная нагрузка 1,2 Ом

Класс точности сердечника 0,5

14. Выбор датчика скорости

Эти датчики предназначены для измерения скорости вращения вала двигателя или исполнительного органа рабочей машины. Они представляют собой специализированные электрические машины небольшой мощности, выходное напряжение которых пропорционально скорости вращения ротора (якоря). Основное требование к тахогенераторам заключается в максимальном приближении указанной зависимости к линейной, что определяет точность их работы.

Выбираем тахогенератор МЭТ-8/30

Частота вращения 1500 об/мин

Масса 12 кг

Крутизна нарастания Uвых 20 мВ·мин/об

Сопротивление нагрузки 1000 Ом

Асимметрия Uвых 0,35 %

Нелинейность Uвых 0,36 %

15. Выбор датчика потокосцепления

Датчики Холла позволяют осуществить точную фиксацию положения волны магнитного поля в зазоре машины относительно системы координат, неподвижной по отношению к статору. Сигналы, получаемые с датчиков, соответствуют значению магнитного поля в данный момент в месте установки датчиков. При идеальном, синусоидальном, распределении поля в зазоре машины сигнал на датчике имеет синусоидальную форму и пропорционален косинусу угла между положением волны поля и осью, на которой установлен датчик. Однако реальные сигналы имеют в своем составе помеху, обусловленную высокочастотными зубцовыми гармониками, низкочастотную помеху, обусловленную обмоточными данными, и помеху от несинусоидальности питающего двигатель напряжения.

В соответствии с выбором системы координат (, ) один из датчиков необходимо устанавливать на магнитной оси фазы А, совпадающей с осью . Второй датчик теоретически необходимо установить на оси, сдвинутой по отношению к на угол /2, однако практически это осуществить трудно, так как магнитная ось фазы А совпадает с серединой зубца статора, а ось обычно оказывается расположенной на раскрытии паза. Поэтому вторым вариантом является установка второго датчика Холла на магнитной оси фазы В (фазовый сдвиг между напряжением датчиков 2/3)

Установка второго датчика может быть произведена в зоне углов от /3 до 2/3 и в результате может быть получен необходимый сигнал, сдвинутый на угол /2.

где -- угол между вторым и первым датчиками, отсюда коэффициенты а1 и а2 при фазовом сдвиге 2/3 должны быть:

Это преобразование производится в координатном преобразователе потока.

Выбираем датчик Холла ДХК-14 на основе кремния.

Выходное сопротивление 2,5 кОм

Чувствительность 9мкВ/мА

Ток питания 7 мА

Температурный диапазон от -196 до +180 0СТемпературный коэффициент чувствительности 0,03 %/0С

16. Расчет принципиальной схемы

Расчет обратной связи по скорости:

Наибольшее выходное напряжение тахогенератора:

.

Выбираем нагрузочные резисторы R=330 Ом.

Напряжение на резисторе Rc при максимальной ЭДС тахогенератора:

В

Коэффициент усиления согласующего усилителя:

выбираем Rос = 2,2 кОм, Rу = 1,1 кОм.

17. Расчет обратной связи по потокосцеплению

Выходное напряжение датчика Холла при номинальном магнитном потоке

.

Выходное сопротивление Rс=2,5кОм.

Коэффициент усиления согласующего усилителя

Выбираем Rос = 11 кОм, Rу = 270 Ом.

18. Расчет обратной связи по току

Вторичный ток трансформатора тока, соответствующий номинальному току статора двигателя .

Номинальная нагрузка трансформатора 1,2Ом.

Выбираем Rc=1,2 Ом

Напряжение

.

Выбираем Rос = 2,2 кОм, Rу = 1,1 кОм.

Информацию о токе фаз А и В получаем с двух трансформаторов тока, ток фазы С получаем схемно:

Выбираем Rос = 1,1 кОм, Rу = 1,1 кОм

Расчет регулятора реактивного тока:

Представим передаточную функцию регулятора в виде:

Выбираем R = 56 кОм, Roc = 3,9 кОм.

нФ

0,0026 с

23 нФ

Расчет регулятора активного тока:

Выбираем R = 10 кОм, Roc = 2 кОм.

мкФ

0,0026 с

0,13 мкФ

Расчет регулятора потока:

Выбираем R = 1 кОм, Roc = 43 кОм.

мкФ

0,0026 с

1,3 мкФ

Расчет регулятора скорости:

Выбираем R = 100 Ом, Roc = 24 кОм.

нФ

0,0017 с

8,5 мкФ

Блок преобразования 3-2



Выбираем R1=15кОм.

R2=2.R = 30кОм;

кОм

Блок преобразования 2-3



Возьмем R=10 кОм

R1=2R=20 кОм

кОм

кОм

кОм

Блок векторного поворота



Выберем R=10 кОм

Координатный индикатор:

Выберем R=10 кОм

Задатчик интенсивности:

Выбираем R=100 кОм

5мкФ

Блок деления:

Выбираем R=10 кОм

R1=5 кОм

Блок развязки:

Выбираем сопротивления R=10 кОм.

Блок развязки включает в себя апериодические фильтры с передаточной функцией

.

Передаточную функцию можно представить следующим образом:

Выбираем сопротивления Rос=15 кОм, R1=10 кОм, тогда СОС = 0,0029/ROC = 193 нФ.

19. Выбор элементов УБСР-АИ

В настоящее время устройства УБСР-АИ (унифицированной блочной системы регуляторов аналогового действия) являются аппаратной основой систем управления тиристорных электроприводов постоянного и переменного тока. Набор разработанных средств управления содержит устройства ввода задания, усилительные, регулирующие и вычислительные устройства, функциональные преобразователи, устройства памяти, датчики регулируемых параметров, потенциальные разделители, источники питания, устройства коммутации, технологической логики, индикации, защиты и вспомогательные устройства.

Устройства УБСР-АИ рассчитаны на выходной сигнал 10 В при токе до 5 мА. Питание осуществляется от источников стабилизированного напряжения 15 В.

Тип устройства	Назначение
ЗИ2АИ.	Задание ускорения.
РС1АИ.	Реализация контура регулирования скорости.
РТ1АИ.	Реализация контура регулирования тока.
УМ3АИ.	Перемножение аналоговых сигналов.
У12-АИ	Операционные усилители многоцелевого назначения.
У13-АИ	Операционные усилители для сборки контуров регулирования.
МД-3АИ	Перемножение и деление аналоговых сигналов.
ПК-2АИ	Возведение в квадрат или извлечение корня из аналоговых сигналов.
РГ-6АИ	Гальваническая оптронная развязка входных и выходных аналоговых сигналов.
СН-4АИ	Питание аналоговых устройств УБСР-АИ стабилизированным напряжением.
Ф4-АИ	Фильтры.

Заключение

Задание курсового проекта было выполнено:

Смоделирована САУ асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором по системе “Трансвектор”

Время разгона согласно заданию в пределах 0,5 с

Регулировочные свойства во всем диапазоне регулирования соответствуют нормам.

Исследованы переходные процессы при набросе нагрузки, а также построены механические характеристики.

В процессе выполнения курсового проекта я узнал много нового о методах регулирования асинхронных двигателей, обобщенных подходах математического моделирования; углубленно изучил пакет математического моделирования Matlab.

Список литературы

1. Автоматизированный электропривод переменного тока. И. И. Эпштейн. М., "Энергоиздат", 1982. 192с.

2. Асинхронный электропривод с векторным управлением. В. В. Рудаков, И. М. Столяров, В. А. Дартау. Л.: " Энергоатомиздат", 1987. 136 с.

3. Динамика частотнорегулируемых электроприводов с автономными инверторами. С. О. Кривицкий, И. И. Эпштейн. М., "Энергия", 1970. 152 с.

4. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Р. Т. Шрейнер. Екатеринбург. УРО РАН, 2000. 654 с.

5. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами. Р. Т. Шрейнер, Ю. А. Дмитренко. Кишинев, "Штиинца", 1982. 224 с.

6. Полупроводниковые преобразователи электрической энергии для электроприводов с двигателями переменного тока. В. И. Лихошерст. Свердловск, Уральский политехнический институт им. С. М. Кирова, 1986. - 75 с.

7. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями. О. В. Слежановский, Л. Х. Дацковский, И. С. Кузнецов, Е. Д. Лебедев, Л. М. Тарасенко. М., "Энергоатомиздат", 1983. 256 с.

8. Справочник по автоматизированному электроприводу. Под ред. В. А. Елисеева и А. В. Шинянского. М., "Энергоатомиздат", 1983. 616 с.

9. Справочник по электроустановкам промышленных предприятий, в 4-х т./ Под общей ред. И.Е. Боричева, А.И. Даниленко, А.М. Храмушина и др.

10. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. А. В. Башарин, В. А. Новиков, Г. Г. Соколовский. Л., "Энергоиздат", 1982. 392 с.

Размещено на Allbest.ru

...