Разработка мехатронного устройства, скипового подъемника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Целью данного курсового проекта является разработка мехатронного устройства - скипового подъемника.

Смысловая её реализация заключается в создании универсальных, надёжных и долговечных устройств, которые тем или иным образом помогали бы человеку решать поставленные перед ним задачи. Для высокоточных производств очень важно иметь хорошую точность позиционирования рабочего органа. Как и любая другая МС состоит из электромеханической системы, которая представляет собой совокупность электродвигательного и преобразовательного устройств, системы управления, механической передачи и рабочего органа, предназначенная для приведения рабочего органа в движение и управление этим движением по заданному алгоритму посредствам микроЭВМ или микроконтроллера. Свойства электромеханической системы определяются взаимосвязанными характеристиками элементов и образующих её подсистем (механической, электрической и магнитной). Поэтому при этапном проектировании электромеханической системы особое внимание уделяется выбору электромеханической элементной базы, электродвигателей и информационных и силовых полупроводниковых преобразователей, статических и динамических характеристик, как силовых исполнительных элементов, так и системы управления при исследовании качества регулирования электромеханической системы с использованием микроконтроллеров или ЭВМ. Целью управления может быть решение двух обобщенных задач - поддержание некоторых параметров в определенных диапазонах и регулирование значений выходных переменных по требуемому закону. В каждой из этих задач управляющей системе требуется сформировать выходное воздействие, реализация которого компенсирует образовавшуюся ошибку управления.



1. Исходные данные для курсового проектирования

Разработать систему управления электроприводом скипового подъемника наклонной шахты, обеспечивающую следующие проектные технические характеристики:

Рисунок 1.1 - Функциональная схема скипового подъемника: 1 - рельсовое полотно; 2 - скип; 3 - направляющее колесо; 4 - канат; 5 - барабан; 6 - редуктор; 7 - электродвигатель; 8 - щит управления

Масса груза ;

вес скипа ;

диаметр колеса скипа ;

диаметр цапфы осей колес ;

высота подъема ;

скорость подъема скипа ;

скорость спуска скипа ;

скорость вращения двигателя ;

время паузы после спуска и подъема ;

коэффициент трения в цапфе ;

коэффициент трения качения колеса по рельсу ;

коэффициент, учитывающий трение реборды колеса о рельс, ;

угол наклона рельсового полотна ;

коэффициент полезного действия барабана и передачи ;

приведенный к валу двигателя маховый момент, обусловленный массами барабана, направляющего колеса, каната и редуктора, составляет .

В качестве усилительно-преобразовательного устройства применить АИН - преобразователь с управлением от микро ЭВМ (PIC - контроллера) или другого программируемого устройства, задающего режим работы электропривода скипового подъемника.



2. Расчетно-конструкторская часть

2.1 Расчет основных усилий, моментов, действующих в системе

Рисунок 2.1 - Силы, действующие на скип

Сила действующая на канат, обусловленная весом скипа с грузом

, (2.1.1.1)

где - вес скипа с грузом,; - угол наклона, ; - ускорение свободного падения, .

.

Сила действующая на колеса скипа

. (2.1.2.1)



.

Сила, действующая на канат, обусловленная трением реборд и колес о рельсы и трением в цапфах колес

, (2.1.3.1)

где - коэффициент, учитывающий трение реборды колеса о рельс, ; - радиус колеса, ; - коэффициент трения в цапфе, ; - радиус цапфы, ; - коэффициент трения качения колеса по рельсу, .

.

Суммарная сила, действующая на канат

. (2.1.4.1)

.

Приведенный к валу двигателя статический момент

, (2.1.5.1)

где - скорость подъема, ; - угловая скорость вращения двигателя, ; - КПД, .



.

Приведенный к валу двигателя момент инерции от поступательного движущихся масс скипа с грузом

. (2.1.6.1)

.

Суммарный маховый момент скипового подъемника, приведенный к валу двигателя

. (2.1.7.1)

.

2.2 Расчет мощности двигателя скипового подъемника

Спуск и подъем скипа производится с различной скоростью, Пауза после спуска и подъема равна 25 с каждая. Для учета потерь при пуске и торможении эквивалентная мощность электродвигателя, определяемая статической нагрузкой, должна быть увеличена на 15%.

Полезное усилие в тросе при подъеме нагруженного скипа

. (2.2.1.1)

.

Дополнительное условие, необходимое для преодоления трения качения, составит



. (2.2.2.1)

.

Дополнительное условие, необходимое для преодоления трения скольжения в цапфах

. (2.2.3.1)

.

Дополнительное усилие в тросе, обусловленное трением при подъеме скипа с учетом трения в ребордах

. (2.2.4.1)

.

полное усилие в тросе при подъеме груза

. (2.2.5.1)

.

Мощность, развиваемая двигателем при подъеме

. (2.2.6.1)

.



Время подъема скипа

. (2.2.7.1)

.

Полезное усилие в тросе при спуске порожнего скипа

. (2.2.8.1)

.

Усилие, необходимое для преодоления трения качения

. (2.2.9.1)

.

Усилие, необходимое для преодоления трения скольжения в цапфах

. (2.2.10.1)

.

Усилие в тросе, обусловленное трением при спуске порожнего скипа с учетом трения в ребордах

. (2.2.11.1)

.



Полное усилие в тросе при спуске порожнего скипа

. (2.2.12.1)

.

Мощность двигателя при спуске порожнего скипа

. (2.2.13.1)

.

Время спуска порожнего скипа

. (2.2.14.1)

.

Построение графика расходуемой мощности на валу двигателя, при помощи которого можно определить эквивалентную мощность.

Рисунок 2.2 - График расходуемой мощности на валу двигателя



Эквивалентная мощность

. (2.2.15.1)

.

Требуемая мощность на двигателе

. (2.2.16.1)

.

В соответствии со справочниками примем .

2.3 Выбор двигателя

Предварительный выбор двигателя обычно производят по результатам расчета эквивалентной (требуемой) мощности, значение которой несколько завышается (на 10ч20%). для рассматриваемого случая ближайшими по требуемой эквивалентной (требуемой) мощности являются асинхронные двигатели (АД) с номинальной мощностью , необходимые для расчета параметры которых приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Параметры выбранных двигателей

Тип двигателя
4А132М2У3	380	2900	11	0,88	0,9	3000	2,2	0,023
4А132М4У3	380	1460	11	0,875	0,87	1500	3	0,04
4А160S6У3	380	975	11	0,86	0,86	1000	2	0,14
4А160М8У3	380	730	11	0,87	0,75	750	2,2	0,18



Окончательно требуется выбрать только один из четырех двигателей. Для этого необходимо построить энергетические характеристики каждого, а затем (по необходимым условиями и параметрам) выбрать соответствующий тип двигателя скипа-подъемника

Определение характеристик двигателя

Для построения энергетической характеристики каждого двигателя необходимо рассчитать следующие параметры:

номинальную угловую скорость двигателя

, (2.3.2.1)

где - номинальная частота вращения двигателя.

.

.

.

.

синхронную угловую скорость двигателя

, (2.3.2.2)

.

.

.

.



номинальный вращающий момент двигателя

. (2.3.2.4)

.

.

.

.

критический вращающий момент

. (2.3.2.6)

.

.

.

.

Построение характеристик выполняется в координатах ,, с помощью программной среды Matlab.

Рисунок 2.3 - Энергетическая и механическая характеристики выбранных АД,



Определение требуемых характеристик скипа-подъемника:

требуемый момент для подъема груженного скипа

, (2.3.4.1)

где - вес скипа с грузом, ; - диаметр барабана, .

.

требуемая угловая скорость для подъема груженного скипа

, (2.3.4.2)

где - линейная скорость подъема, .

.

Расчет ориентировочного значения передаточного отношения

=. (2.3.5.1)

=

=

=

=



Определение ожидаемой линейной скорости на выходе редуктора с ориентировочным передаточным числом

. (2.3.6.1)

.

.

.

.

Определение реального передаточного числа и пересчет линейной скорости перемещения скипа с учетом редуктора. Реальное передаточное число выбирается из ряда (для цилиндрических двухступенчатых редукторов типа Ц2У):5; 8; 10; 12; 16; 20; 22,4; 25; 31,5; 40, или из ряда (для цилиндрических трехступенчатых редукторов типа Ц3У): 40; 45; 56; 63; 80; 100; 125; 160; 200. Соответственно выбираем для каждого двигателя ближайшее передаточное число. Для АД 4А132М2У3 принимаем - ; для АД 4А132М4У3 - ; для АД 4А160S6У3 - ; для АД 4А160М8У3 - .

Пересчитаем линейные скорости

. (2.3.7.1)

.

.

.

.



Ограничение на линейную скорость редуктора

. (2.3.7.2)

Исходя из условия (2.3.7.2), выбираем двигатель (АД 4А160М8У3) со следующими параметрами:

номинальное фазное напряжение ;

номинальное линейное напряжение ;

номинальная мощность ;

номинальный ток фазы ;

КПД ;

номинальное скольжение ;

кратность пускового момента к номинальному ;

кратность критического момента к номинальному ;

кратность минимального момент к номинальному ;

кратность пускового тока к номинальному ;

синхронная частота вращения ;

номинальная частота вращения ;

момент инерции двигателя ;

2.4 Выбор редуктора

Выбор редуктора осуществляется по параметрам выбранного двигателя и расчетным характеристикам: , , ; а также геометрическим размерам проектируемого узла, если они указаны в задании.

Для мехатронной системы редуктор является конструктивным элементом, что необходимо учитывать при формировании массогабаритных параметров.

Выбираем редуктор цилиндрический двухступенчатый горизонтальный типа Ц2У-200-8-12У2 ГОСТ 20758-75 с основными параметрами:

Номинальный крутящий момент на тихоходном валу, 2000

Передаваемая мощность, кВт:

минимальная 5

максимальная 15,7

Допускаемая радиальная консольная нагрузка, приложенная к середине посадочной части тихоходного вала, Н 16000

Допускаемая радиальная консольная нагрузка, приложенная к середине посадочной части быстроходного вала, Н 2000

Номинальное передаточное число 8

КПД, % не менее 0,97

Межосевое расстояние, мм 325



3. Статический расчет электропривода

3.1 Приблизительный расчет параметров Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя 4А160М8У3

Для последующего использования результатов в динамическом расчете решим задачу приближенного определения параметров ,, , , , ,, N-образной схемы замещения (СЗ) асинхронного двигателя (АД), представленной на рисунке 3.1.1, при пренебрежении активным сопротивлением ветви намагничивания по данным справочникам, приведенным в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Справочные данные двигателя 4А160М8У3

№	Наименование величины, приводимой в справочнике	Обозначение	Величины	Размерность
1	Номинальная мощность на валу		11	кВт
2	Синхронная частота вращения		750	об/мин
3	Номинальная частота вращения		730	об/мин
4	Номинальное скольжение		2,5	%
5	КПД в номинальном режиме		87	%
6	Коэффициент мощности в номинальном режиме		0,75	о.е.
7	Номинальное линейное напряжение		380	В
8	Номинальная частота питающего напряжения		50	Гц
9	Кратность пускового тока		6	о.е.
10	Кратность пускового момента к номинальному		1,4	о.е.
11	Кратность максимального момента к номинальному		2,2	о.е.
12	Момент инерции двигателя		0,18



Рисунок 3.1 - Т-образная схема замещения АД

Для определения параметров схемы замещения используем методику опубликованную в [1]. Номинальный фазный ток двигателя определяется из справочных данных как

. (3.1.1)

.

Из теории и практики проектирования ЭП, стендовых испытаний АД в номинальных режимах получены характерные соотношения, определяющие, например, коэффициент - отношение потерь в меди к суммарным потерям в АД, т.е. . Примем

В таблице 3.1.1 приведено соотношение величин , полученное в результате испытаний АД. В связи с явлением протекания токов в обмотках ротора, вызывающих увеличение пусковых момента и тока АД, имеется различие между расчетными и опытными величинами , что позволяет определить коэффициент отношения указанных величин и записать



. (3.1.2)

Для приближенного вычисления параметров упрощенной Т-образной СЗ примем соотношения:

, (3.1.3)

. (3.1.4)

Потери в меди в номинальном режиме определяются как

. (3.1.5)

.

Электрические потери в обмотках АД в режиме короткого замыкания (КЗ) при номинальном напряжении

. (3.1.6)

.

Из анализа СЗ для режима КЗ

. (3.1.7)



Приравнивая правые части выражений (3.1.6) и (3.1.7), можно записать

. (3.1.8)

Из анализа работы СЗ в режиме КЗ следует, что

. (3.1.9)

Приравнивая правые части выражений (3.1.8) и (3.1.9) можно определить

. (3.1.10) .

да подставив (3.1.10) в (3.1.8) получим

.

Активная составляющая эквивалентного сопротивления СЗ в номинальном режиме вычисляется как

. (3.1.11)



.

С другой стороны, из анализа СЗ в номинальном режиме (здесь и далее величина приводится в о.е.), можно определить из соотношения вида

Из уравнения (3.1.11) с учетом (3.1.12) можно определить индуктивное сопротивление контура намагничивания

. (3.1.13)

.



Определить по выражению (3.1.13) невозможно если

. (3.1.14)

Фактически это означает, что величина выбрана неверно. От выбора существенно зависят величины , , .

Проверка условия (3.1.14) выглядит следующим образом

.

Следовательно, по выражению (3.1.13) при можно определить параметр .

Принимаем .

Определим оставшихся параметров Т-образной схемы замещения АД такие, как

. (3.1.15) .

. (3.1.16)

.

. (3.1.17)

.

. (3.1.18)

. (3.1.19)

. (3.1.18)

.



Для удобства выполнения дальнейших исследований расчетные значения параметров, полученные из выражений (3.1.2) - (3.1.18), сведем в таблицу 3.2

Таблица 3.2 - Расчетные параметры Т-образной схемы замещения выбранного АД (при рабочей температуре обмоток статора и )

Параметр	Значение
, Ом
, Ом
, Гн
, Гн
, Гн
, Ом
, Ом
,Ом

В режиме установившейся частоты вращения звена объекта управления статический момент нагрузки обусловлен моментами от технологической силы и трении о воздух . С учетом изложенного зависимость статического момента сопротивления на валу двигателя от частоты вращения можно представить выражением вида

, (3.1.19)

где - коэффициент статической и динамической составляющих соответственно; - номинальный момент АД.

Определяем также

, (3.1.20)



где - текущее значение частоты вращения АД.

.

Оценим величину момента нагрузки при установившейся номинальной частоте вращения, рассчитав ток холостого хода АД. Из рисунка 3.1.1 можно записать

. (3.1.21)

.

Относительное значение тока холостого хода АД

. (3.1.22)

.

Зададимся, что в установившемся режиме работы ток нагрузки (момент нагрузки) составляет 61,4% от номинального значения. Примем, что в формуле (3.1.19) коэффициенты имеют следующие значения: ; ; .

Можно получить для конкретных условий следующую зависимость , т.е.

. (3.1.23)



Исходя из того, что перегрузочная способность выбранного АД по моменту составляет , примем, что в пусковых и тормозных режимах ток двигателя не должен превышать номинальное значение более, чем в 2 раза. Этим будем руководствоваться при оценке результатов, которые будут получены в ходе динамического расчета (моделирования) процессов в электроприводе.

Выражение (3.1.23) в дальнейшем может быть использовано для составления структурной схемы блока статической нагрузки и моделирования переходных процессов в электроприводе проектируемой МС при изменении скорости движения РО.

3.2 Расчет вольт-частотной характеристики

Известно, что при уменьшении частоты снижается угловая скорость , а магнитный поток АД увеличивается. Это приводит к глубокому насыщению магнитной цепи АД и увеличению намагничивающего тока, что снижает энергетические показатели АД, т.е. (). При этом изменяется и критический момент на валу АД, что отрицательно сказывается на технических характеристиках технологического оборудования. С целью сохранения перегрузочной способности АД на низких частотах применяют коррекцию вольт - частотной характеристики по напряжению, компенсируя падение напряжения в обмотке статора АД путем добавления некоторого напряжения (при ) к рассчитанному значению напряжения . Расчет вольт - частотной характеристики будем вести из положения о необходимости обеспечения номинального момента на валу АД и частоты вращения при его работе от сети с напряжением 380 В и частотой 50 Гц.

Из условия обеспечения равномерного вращения вала АД зададимся минимально допустимой частотой . При этом минимальная частота выходного напряжения АИН составит

. (3.2.1)

.

Напряжение фазы АД при

. (3.2.2)

.

С целью сохранения перегрузочной способности АД на низких частотах проведем коррекцию вольт - частотной характеристики по напряжению, компенсируя падение напряжения в обмотке статора АД путем добавления при к рассчитанному величины

. (3.2.3)

.

Тогда при скорректированное значение фазного напряжения

. (3.2.4)

.

На рисунке 3.2.1 приведены нескорректированная и скорректированная вольт - частотные характеристики управляемого электродвигателя в схеме «АИН-АД», позволяющие обеспечить улучшенные (по нагрузочной способности) механические характеристики выбранного АД.

Рисунок 3.2 - Вольт - частотная характеристика электропривода

На рисунке 3.2 приведены механические характеристики АД, позволяющие оценить возможности проектируемого электропривода МС, собранного по широко распространенной схема «АИН-АД» и с автоматической IR - коррекцией напряжения обмоток статора АД.

Построение механических характеристик АД выполнено для номинальных и пониженных частот с коррекцией и без коррекции фазного напряжения

Рисунок 3.3 - Механические характеристики двигателя 4А160М8У3 при частотном управлении



3.3 Расчет автономного инвертора напряжения

Рассчитаем наибольшее возможное действующее значение фазного напряжения в сети на входе выпрямителя:

где: kc = 1,1 - коэффициент, учитывающий допустимое повышение напряжения в сети относительно номинального значения.

В.

Наибольшее возможное среднее значение напряжения в звене постоянного напряжения при трёхфазной мостовой схеме выпрямителя

В.

Наибольшее возможное действующее значение фазного напряжения на выходе АИН (при 180-градусной проводимости транзисторных ключей при глубине модуляции = 1):

В



Определим наибольшую среднюю величину постоянного тока на входе автономного инвертора напряжения (выходе выпрямителя):

где: - действующие значение фазного тока асинхронного двигателя в наиболее тяжелом по току рабочем режиме;

- КПД АИН. Для транзисторных АИН на базе IGBT =0,95…0,98.

С учётом перегрузочной способности выбранного двигателя по моменту

=2•= А.

А.

С другой стороны, наибольшая средняя величина постоянного тока на входе автономного инвертора напряжения может быть определена по формуле:

где: cos = 1 для режима трогания двигателя.

А.

Поправочный коэффициент по току составит kld = 87,76 /55,86 = 1,57 .

Для IGBT - транзисторов основным токовым параметром является ток коллектора Iс (максимальное значение). В преобразователях ток коллектора Iс является длительным током - полным аналогом максимально допустимого тока в открытом состоянии для тиристоров.

Определим наибольшее среднее значение тока IGBT транзистора в плече автономного инвертора напряжения:

А

Наибольшее рабочее постоянное напряжение коллектор - эмиттер на IGBT транзисторе при 180° - градусном алгоритме управления (всегда одновременно проводят три транзистора):

,

где: =1,2...1,3 - коэффициент, учитывающий максимально допустимое превышение напряжения на конденсаторе звена постоянного напряжения.

В.

Определим рабочее пиковое напряжение коллектор эмиттер на IGBT транзисторе с учетом коммутационных перенапряжений:



где: K =0,5...0,6 - коэффициент, учитывающий коммутационные перенапряжения.

В.

Выберем IGBT транзистор по выше рассчитанным 1С = 33,39 А и =982,28 В с учетом рекомендации использования IGBT транзисторов по току коллектора на 60ч70% при загрузки по мощности приблизительно на 36%, рабочие пиковое напряжение в схеме не более 80% от квалификационного (предельного) напряжения коллектор - эмиттер, а рабочие постоянное напряжение 50ч60% от напряжения коллектор эмиттер. В результате выбираем IGBT транзистор IRGPS40B120U со следующими параметрами:

= 1200 [В] - напряжение коллектор - эмиттер;

IС = 40 [А] - постоянный ток коллектора;

ICM = 160 [A] - импульсный ток коллектора;

uces нас = 3,12 [В] - напряжение насыщения коллектор - эмиттер;

ton = 39 [нс] - время включения;

tз = 332 [нс] - время задержки включения;

t = 25 [нс] - время спада.



3.4 Расчет фильтра в звене постоянного напряжения

На входе автономного инвертора напряжения установлен Г - образный фильтр нижних частот, содержащий в параллельной ветви емкость, а в последовательной индуктивность.

Определим емкость конденсатора на входе инвертора с точки зрения стабилизации напряжения в звене постоянного напряжения:

,

где = 1000 Гц - частота коммутации транзисторных ключей;

UC = 0,2 Ud = 0,2•566,7 = 113,34 В - разность между максимальным и минимальным напряжением на ёмкости фильтра (величина пульсации напряжения).

мкФ

Для фильтра необходим электролитический конденсатор с рассчитанной выше емкостью (или более) на напряжение более, чем 2• =1133,4В (типы К50, К51, К52).

Далее определим индуктивность в последовательной ветви Г - образного фильтра:

. мГн



Частота, при которой наступает резонанс напряжений в фильтре (верхняя граничная частота полосы пропускания фильтра):

.

Гц.

Помня о том, что при частоте питающего напряжения на входе выпрямителя 50 Гц основной высшей временной гармоникой выпрямления, вызывающей волнистость напряжения на выходе выпрямителя будет 6-я, т.е. с частотой 300 Гц, делаем вывод, что при выбранных параметрах Г-образного фильтра в его полосу пропускания попадают все значительные гармоники выпрямления. Необходимо увеличить ёмкость С, чтобы получить требуемую величину верхней граничной частоты 200 Гц:

.

мкФ

3.5 Расчет транзисторного ключа для блока тормозного резистора

Определим необходимую мощность преобразователя привода из расчёта обеспечения наиболее нагруженного режима работы двигателя, когда его мощность приближенно можно вычислить по выражению:

кВт



Определим мощность преобразователя по. Sп=1,4

Получим: Sп = кВА.

Выбор блока тормозного резистора (БТР) будем осуществлять из готовых изделий производства фирмы «Триол» (таблица 3.2). Выбираем блок БТР2.

Таблица 3.3 - Блоки тормозных резисторов производства фирмы «Триол»

Тип БТР	Сопротивление r,Ом	Ток Iт,А	Рекомендуемая мощность преобразователя SП,кВА
БТР2	522	1,15	5-11
БТР5	185	3,33	15-37
БТР11	87	6,7	55-90
БТР14	60/30	10/20	110-132/160-315

Определим наибольшее среднее значение тока IGBT транзистора в блоке тормозного резистора

А.

Наибольшее рабочее постоянное напряжение коллектор - эмиттер на IGBT транзисторе:

В.

Определим рабочее пиковое напряжение коллектор - эмиттер на IGBT транзисторе с учетом коммутационных перенапряжений:



В.

Выберем IGBT транзистор по выше рассчитанным Iс =55,86 А и =307,62 B с учетом рекомендации использования IGBT, транзисторов по току коллектора на 60ч70% при загрузки по мощности приблизительно на 36%, рабочие пиковое напряжение в схеме не более 80% от квалификационного (предельного) напряжения коллектор эмиттер, а рабочие постоянное напряжение 50ч60% от напряжения коллектор эмиттер. В результате выбираем IGBT транзисторный IXGH60N60C2 со следующими параметрами:

Uces= 600 [В] - напряжение коллектор - эмиттер;

IС = 75 [А] - постоянный ток коллектора;

IСМ =300 [А] - импульсный ток коллектора;

Uces нас = 2,5 [В] - напряжение насыщения коллектор - эмиттер;

ton = 18 [нс] - время включения;

t3 = 25 [нс] - время задержки включения;

tf = 95 [нс] - время спада.



4. Динамический расчет электропривода

4.1 Расчет передаточных функций объекта регулирования (асинхронного двигателя с автономным инвертором напряжения)

Асинхронный двигатель, питаемый от автономного инвертора напряжения, представляет собой достаточно сложный объект управления. Управление асинхронным двигателем осложнено рядом обстоятельств, наиболее существенными из которых являются следующие:

- момент электродвигателя определяется произведением двух результирующих векторов электромагнитных параметров статора и ротора и является функцией четырех переменных;

- имеется сильное взаимодействие намагничивающих сил ротора и статора, взаимное состояние которых непрерывно меняется при вращении ротора;

- с целью улучшения использования двигателя в различных режимах работы возникает задача регулирования магнитного потока.

Поэтому автоматическая система управлением асинхронного двигателя представляет собой сложную многосвязную нелинейную систему.

Полное математическое описание такой системы оказывается довольно громоздким.

В рассматриваемом электроприводе, имеется два контура регулирования: ЭДС обмотки статора и скорости вращения. Эти две системы регулирования являются взаимосвязанными.

Синтез системы регулирования скорости можно выполнить в первом приближении, используя упрощенную структуру системы при частотном управлении с учетом постоянства магнитного потока в воздушном зазоре машины.

Для получения математической модели трехфазного асинхронного двигателя рассмотрим наиболее распространенный случай частотного регулирования асинхронного двигателя, при котором поддерживается постоянство отношения напряжения к частоте питающей сети:

= const = knp .

= const = knp = 220/50 = 4,4 B/Гц.

При таком способе регулирования электропривод обладает следующими свойствами:

- намагничивающий ток статора (ток холостого хода) остается приблизительно постоянным;

- при неизменном намагничивающем токе, а следовательно и потоке, между электромагнитным моментом двигателя и током ротора сохраняется примерно постоянное соотношение при любой скорости.

- перегрузочная способность АД остается также приблизительно постоянной при изменении скорости в ограниченных пределах, то есть, критический момент во всем диапазоне изменяется мало.

В действительности же из-за наличия сопротивления обмотки статора и внутреннего сопротивления преобразователя частоты, перегрузочная способность асинхронного электропривода при уменьшении скорости несколько падает или даже заметно уменьшается уже при диапазоне регулирования D=5.

Пропорциональное изменение питающего напряжения и частоты сети превращает принципиально нелинейную схему асинхронного электропривода с частотным регулированием в практически линейную при работе в области рабочих нагрузок.

Воспользуемся преобразованной структурной схемой приведенной на рисунке 4.1.



Рисунок 4.1 - Структурная схема асинхронного двигателя.

В данной схеме:

- в качестве входной величины используется f1;

- в схеме рассматриваются параметры ротора, приведенные к статору;

- реальные нелинейные элементы заменены эквивалентными линейными.

Рассчитаем передаточные функции звеньев представленные на структурной схеме асинхронного двигателя.

Первое звено (частотный преобразователь):

в зоне постоянства момента:

Г

де - постоянная времени частотного транзисторного преобразователя.

c.

.

Второе звено (ротор асинхронного двигателя). Вычисляем передаточную функцию с учётом того, что для привода звена манипулятора наилучшая точность регулирования координат необходима по завершению разгона:

,

где: - постоянная времени ротора,

с.

- коэффициент усиления ротора.

Ом

В результате передаточная функция ротора принимает следующий вид:

Третье звено отвечает за преобразование тока в электромагнитный момент:

где: .

В/рад



Четвертое звено определяет механическую инерционность привода.

,

где: .

Приведённый момент инерции подвижного звена манипулятора определяется из формулы:

, кг•м2,

где: Jя - момент инерции якоря двигателя;

JР=(0.2 - 0.25)•Jя - момент инерции редуктора;

JН=2•Jя - момент инерции нагрузки;

i - передаточное число механизма привода.

кг•м2.

В результате передаточная функция инерционного звена примет вид:

.

Пятое звено отвечает за преобразование единиц измерения частоты вращения из рад/с в об/мин:



,

где: .

Шестое звено представляет собой естественную обратную связь по ЭДС асинхронной машины (подобную аналогичной ОС в двигателе постоянного тока):

где:

Структурная схема частотно-регулируемого асинхронного электропривода, настроенным на технический оптимум, представлена в графической части дипломного проекта

На входе системы стоит задатчика интенсивности, для исключения "опрокидывания" двигателя при резком изменении управляющего воздействия;

Структурная схема расчётной модели системы преобразователь частоты - асинхронный двигатель приведена на рисунке 4.2. Модель выполнена в программной среде MatLab 6.5.



Рисунок 4.2 - Структурная схема асинхронного двигателя 4А160М8У3, выполненная в программной среде MatLab.

Осциллограммы работы данной модели представлены на рисунке 4.3, 4.4, 4.5. При их детальном анализе видно, что система устойчива, однако в моменты включения и наброски нагрузки система имеет некоторые затухающие колебания. Также перерегулирование по току имеет недопустимо высокое значение. Для исправления этого введём в систему регулятор тока.

Рисунок 4.3 - Осциллограммы работы частотно регулируемого привода (ток)



Рисунок 4.4 - Осциллограммы работы частотно регулируемого привода (момент)

Рисунок 4.5 - Осциллограммы работы частотно регулируемого привода (скорость)

4.2 Расчет регулятора тока

В соответствии с приведенными выше выводами по системе подчиненного регулирования осуществим расчет контура регулирования тока якоря. Настройку контура (выбор типа регулятора и расчет его характеристик) обычно производят так, чтобы получить технически оптимальный переходной процесс (настройка на технический оптимум).

Технически оптимальным считается такой переходной процесс, при котором время изменения регулируемой величины от 0 до установившегося значения было бы минимально возможным при перерегулировании, не превышающем 4-10 %.

Для подбора параметров регулятора тока воспользуемся методом желаемых ЛАЧХ. Основа метода заключается в том, что при линеаризованном описании передаточная функция разомкнутой системы - это произведение передаточных функций объекта управления и управляющего устройства.

При этом ЛАЧХ разомкнутой системы представляет собой сумму характеристик объекта и регулятора, поэтому, имея ЛАЧХ желаемой разомкнутой системы и ЛАЧХ объекта, можно получить ЛАЧХ регулятора простым графическим вычитанием. Таким образом, сущность метода желаемых ЛАЧХ состоит в следующем. По определенной методике строится желаемая амплитудная характеристика разомкнутой системы. На том же графике строится ЛАЧХ объекта управления, затем графическим вычитанием из ЛАЧХ разомкнутой системы ЛАЧХ объекта получим ЛАЧХ управляющего устройства, по которой определяется его передаточная функция.

Для удобства построения перехода от ЛАЧХ к передаточной функции используются асимптотические ЛАЧХ.

Зададимся следующими критериями качества контура тока:

- желаемое время регулирования = 0.1 сек;

- степень астатизма = 1;

-точность отработки критического воздействия  0.02;

- желаемое перерегулирование  = 0.05 %.

Передаточная функция объекта управления в контуре тока:



ОУ статичный, поэтому наклон НЧ-части ЛАЧХ равен 0. Высота НЧ- части:

.

Сопрягающие частоты:

, .

, .

Желаемая характеристика рассматривается как совокупность НЧ-, СЧ- и ВЧ-областей.

Рассчитаем желаемый коэффициент усиления канонической формы разомкнутой системы, исходя из требований к точности:

Рассчитаем желаемую частоту среза, зная желаемое время регулирования:

рад/с

НЧ-часть - это прямая, проходящая с наклоном 20 = -20 дБ/дек через точку ().



=34

CЧ-часть - отрезок прямой, проходящей с наклоном минус 20 дБ/дек и пересекающая ось частот в точке дек. Концы отрезка - это концы диапазона допустимого отклонения ЛАЧХ в СЧ-области.

ВЧ-часть строится из принципа минимальной сложности реализации, согласно которому эта часть должна быть параллельна ЛАЧХ ОУ в ВЧ-области. В нашем случае проводим ее из конца СЧ-части под наклоном минус 40 дб/дек.

Последним этапом синтеза регулятора методом желаемых ЛАЧХ является сопряжение НЧ- и СЧ-частей таким образом, чтобы максимально упростить вид желаемой ЛАЧХ.

Рисунок 4.6 - ЛАЧХ системы

По ЛАЧХ определяем постоянные времени динамических звеньев, входящих в ПФ регулятора:



Учитывая наклоны на частотах среза, формируем ПФ регулятора тока:

Регулятор тока представляет собой произведение пропорционально интегрирующего (ПИ) и пропорционально дифференцирующего (ПД) звеньев.

Рисунок 4.7 - Принципиальная электрическая схема регулятора тока

Принципиальная электрическая схема регулятора тока, собранная на операционных усилителях, показана на рисунке 5.5. Здесь звено ПИ собрано на усилителе 1, звено ПД - на усилителе 2.

Рассчитаем параметры схемы для первого ОУ:



Рассчитаем параметры схемы для второго ОУ:

;

Выбираем ёмкость конденсатора С=200 мкФ, тогда решая систему получаем:

С регулятором тока модель частотно - регулируемого привода принимает вид показанный на рисунке 4.8.

Рисунок 4.8 - модель частотно - регулируемого привода с регулятором тока



При проведении моделирования получаются осциллограммы представленные на рисунке 4.9, 4.10, 4.11

Рисунок 4.9 - Осциллограммы модели с регулятором тока (ток)

Рисунок 4.10 - Осциллограммы модели с регулятором тока (момент)

Рисунок 4.11 - Осциллограммы модели с регулятором тока (скорость)



Анализируя полученные осциллограммы можно сделать вывод о том, что данные характеристики приближены к «интеллектуальным» системам управления. В системе отсутствует перерегулирование и время переходного процесса достаточно мало. Однако имеет место быть незначительный провал в характеристиках. Это является нежелательным в нашем случае.

4.3 Расчёт регулятора скорости

скиповый подъемник электропривод двигатель

Для синтеза регулятора скорости применим специальные средства MatLab, такие как PID controller и NCD блок. В PID controller заносим искомые параметры так, чтобы он стал ПИ регулятором. В NCD блок заносятся эти же переменные, а также желаемое время регулирования, ошибка по положению и перерегулирование. В результате выполнения подбора переменных этими средствами получаем следующую передаточную функцию:

;

Принципиальная электрическая схем этого регулятора собранная на операционном усилителе представлены на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12 - Электрическая принципиальная схема ПИ регулятора



Выполним расчёт параметров данного устройства:

Выбираем ёмкость конденсатора С=200 мкФ, тогда

Получаем модель частотно - регулируемого привода (ЧРЭП) представленную на рисунке 4.13

Рисунок 4.13 - Модель ЧРЭП с регуляторами тока и скорости

При работе данная модель даёт осциллограммы представленные на рисунке 4.14.



Рисунок 4.14 - Осциллограммы ЧРЭП с регуляторами тока и скорости

Проанализировав данные осциллограммы можно сделать вывод, что благодаря регуляторам тока и скорости система имеет небольшую колебательность и перерегулирование, практически сразу же выходит на заданную величину, а также просадка скорости при наброске нагрузки отсутствует.



5. Устройство и принцип работы АИН

5.1 Состав и блок-схема электропривода

В электроприводе реализовано частотное управление асинхронным электродвигателем (АД ) с короткозамкнутым ротором, заключающееся во взаимосвязанном регулировании частоты F1 и действующего значения U1 основной гармоники питающего электродвигатель напряжения. Закон изменения частоты и напряжения в рабочем диапазоне регулирования близок к линейному: U1/F1 = const. Указанное регулирование параметров питающего АД напряжения осуществляет двухзвенный преобразователь частоты на основе трехфазного автономного инвертора напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Система управления электроприводом выполнена на основе микропроцессорного контроллера.

Блок-схема электропривода, приведенная на рисунке 5.1, представлена силовой частью преобразователя частоты и системой управления (обведена пунктирной линией).

К силовой части относятся:

КС - силовые коммутационные аппараты, выполняющие функции подключения электропривода к сети, подготовки системы к работе, аварийного отключения;

В - силовой диодный выпрямитель сетевого напряжения;

ФС - фильтр силовой, осуществляющий сглаживание пульсаций напряжения звена постоянного тока преобразователя;

ЗЦ и Д - узел защитных цепей и датчиков напряжения и тока, осуществляющий защиту силовых элементов преобразователя и электропривода от перенапряжений, токов перегрузки и короткого замыкания;

АИН - трехфазный мостовой транзисторный автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), осуществляющий преобразование постоянного (выпрямленного) напряжения в переменное требуемой частоты и значения;

АД - приводной асинхронный электродвигатель.

Система управления электроприводом включает в себя:

ИП - источники питания устройств управления, регулирования и защиты;

МСУ - микропроцессорный контроллер с устройствами сопряжения, осуществляющий формирование управляющих сигналов АИН по закону ШИМ, а также управление тиристорами выпрямителя в функции входных сигналов управления и сигналов датчиков;

ФИ - формирователь импульсов управления транзисторами АИН, осуществляющий усиление сигналов и потенциальное разделение системы управления с силовом частью;

УЗ устройство защиты, обеспечивающее быстродействующее выключение транзисторов АИН и отключение преобразователя при токах недопустимой перегрузки и короткое замыкания, недопустимого перенапряжения в звене постоянного тока, а также в случае появления сигналов нарушения технологического режима.

Рисунок 5.1 - Схема электропривода



Принципиальная электрическая схема АИН приведена на чертеже РМКР.380000.000Э3.

5.2 Силовая часть

Схема силовой коммутации включает в себя выключатель вспомогательных цепей SA1 и трехфазный пускатель КМ1. При включении SA1 через токоограничивающие резисторы для АТ01-55 и AT 01-75 также через контакты промежуточного реле К2 осуществляется предварительный заряд конденсаторов силового фильтра и подключение к сети источников питания цепей управления. При наличии соответствующего сигнала с системы управления через релейную схему включается пускатель КМ1.

Силовой выпрямитель преобразователя выполнен по трехфазной мостовой схеме на диодных модулях типа МДД. При напряжении сети 380В среднее значение выпрямленного напряжения составляет = 514B.

Фильтр силовой предназначен для сглаживания пульсаций напряжения в звене постоянного тока, обусловленных пульсациями напряжения выпрямителя и пульсациями входного тока инвертора и представляет собой LC-фильтр, состоящий из дросселя L1 и набора электролитических конденсаторов. Равномерному распределению напряжения на последовательно соединенных конденсаторах фильтра способствует резистивный делитель.

В звено постоянного тока включены датчик напряжения и датчик входного тока инвертора.

Автономный инвертор напряжения отвечает за преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное осуществляет мостовой транзисторный инвертор напряжения, собранный на модулях, состоящих из IGBT -транзисторов с шунтирующими обратными диодами. IGBT - транзисторы наилучшим образом удовлетворяют требованиям к ключевым элементам АИН с широтно-импульсной модуляцией.

Транзисторы вместе с шунтирующими обратными диодами переключаются многократно в течение периода выходной частоты, работая поочередно. Специальный алгоритм широтно-импульсного управления обеспечивает близкое к линейному соотношению исходной частоты и выходного напряжения, обеспечивая при этом синусоидальность формы тока нагрузки.

Защитные цепи отвечают за ограничение коммутационных перенапряжений на транзисторах, обусловленных наличием паразитных индуктивностей в силовых цепях, на допустимом уровне обеспечив RCL-цепи блоков защитных цепей.

Датчик тока во входных цепях АИН измеряет входной ток инвертора, который характеризует мгновенные значения тока транзисторов. Сигнал датчика тока используется в схеме защиты электропривода от токов перегрузки и короткого замыкания в цепях АИН АД. Кроме того, сигнал датчика тока используется для определения потребляемой электроприводом активной мощности.

Датчик напряжения, подключенный параллельно конденсаторам силового фильтра, измеряет напряжение звена постоянного тока, значение которого определяется величиной сетевого напряжения. Сигнал датчика напряжения используется для защиты электропривода от недопустимых отклонив сетевого напряжения, а также для стабилизации выходного напряжения АИН при колебаниях сетевого напряжения.

5.3 Микропроцессорная система управления (МСУ)

МСУ предназначена для работы в составе системы управления электроприводов серии АТ01. К основным задачам МСУ относятся расчет и поддержание требуемых в зависимости от выбранного режима работы значений выходной частоты и выходного напряжения преобразователя, а также диагностика и индикация текущего состояния преобразователя и оперативное реагирование на возникновение нештатных ситуаций.

Программное обеспечение МСУ предоставляет пользователю значительную гибкость в управлении, диагностике, адаптации работы преобразователя к конкретному технологическому процессу путем программирования параметров работы электропривода и заданий дискретных и аналоговых входов и выходов. Управление режимами работы преобразователя может осуществляться как с местного, так и дистанционного (по последовательному каналу) пультов управления.

Блок драйверов ДР предназначен для формирования двухполярных сигналов управления V1...V6 и гальванической развязки цепей управлении силовыми ключами на IGВТ -транзисторах.

Блок питания драйверов состоит из импульсного стабилизатора понижающего типа, задающего генератора, усилителя мощности и параметрических стабилизаторов выходных напряжений. Первичным напряжением блока питания драйверов является постоянное напряжение +24В поступающее от выпрямителя (блок В ) блока питания контроллера.

Блок питания контроллера включает в себя выпрямитель, преобразователь, стабилизатор выходных напряжений и вырабатывает питающие напряжения контроллера, пульта управления, датчиков тока и напряжения. Первичным напряжением для блока питания является переменное напряжение ~ 19В 50Гц.

5.4 Система электропитания блоков управления

Функциональная схема электропитания блоков управления состоит из трех отдельных узлов:

силового трансформатора с сетевым фильтром,

блока питания контроллера, пульта управления и датчиков (БПК),

блока питания драйверов IGBT - транзисторов (БПД).

Взаимодействие узлов происходит следующим образом:

Блок силового трансформатора преобразует напряжение сети - 380В в переменное напряжение 19В, которое поступает на БПК. Выпрямитель в БПК преобразует напряжение - 19В в =24В постоянного тока, которое является первичным электропитанием для инвертора в блоке питания контроллера (БПК), блока исполнительных реле (БИР) и импульсного стабилизатора блока питания драйверов (БПД).

В БПК инвертор преобразует напряжение 24В постоянного тока в питающее напряжение узлов контроллера, датчиков, реле управления и ИРПС.

БПК формирует следующие напряжения:

+ 5В, стабилизированное, с током нагрузки Iн = 0,5А. Для питания цифровой части контроллера;

+5В, стабилизированное, с током нагрузки Iн = 0,5А. Для питания пульта управления;

+12В, стабилизированное, с током нагрузки Iн = 50 мА,. Для ИРПС (гальванически не связано с остальными источниками питания );

+15В, -15В, стабилизированные, с токами нагрузки Iн = 300 мА. Для питания аналоговой части блока контроллера и датчиков.

Блок питания драйверов БПД вырабатывает шесть стабилизированных, гальванически несвязанных напряжений + 15В,-15В стоком нагрузки каждого Iн = 50 мА.

Функционально БПД состоит из импульсного стабилизатора, задающего генератора и инвертора с внешним возбуждением.

Все стабилизированные источники питания снабжены защитой от коротких замыканий в нагрузке и от перенапряжений, вызванных выходом из строя регулирующих элементов стабилизаторов.



5.5 Конструкция

Электроприводы выполнены в виде шкафов навесного исполнения одностороннего обслуживания.

Элементы силовой части - диодные модули выпрямительного блока, транзисторные IGBT-модули, силовая ошиновка - смонтированы на групповом ребристом теплоотводе, который является основным несущим элементом конструкции шкафа. К тепло отводу крепятся узлы присоединения шкафа к стене. Несущая конструкция шкафа состоит из теплоотвода, боковых стенок, крышки и днища.

В электроприводах мощностью 15-37 кВт блок силовой коммутации - пускатель, реле трансформатор, клеммы силовые и управления, сетевой фильтр, зарядное устройство -смонтированы на панели, прикрепленной непосредственно к тепло отводу. В электроприводах мощностью 55-75 кВт панель с элементами блока силовой коммутации прикреплена к сварной раме, на которой, также, установлен ребристый теплоотвод с элементами силовой части.

В электроприводах мощностью до 15 кВт элементы блока силового фильтра - конденсаторы и дроссель - расположены на панели, прикрепленной непосредственно к теплоотводу, на этой же панели размещена плата датчиков и балластные резисторы.

В электроприводах мощностью 22-37 кВт элементы блока силового фильтра смонтированы на горизонтальной выносной панели, установленной в горизонтальных направляющих, прикрепленных к боковым стенкам шкафа.

В электроприводах мощностью 55-75 кВт фильтрующие конденсаторы смонтированы на горизонтальной панели, а обдуваемые дроссели расположены в верхней части шкафа.

Элементы блока защитных цепей смонтированы на платах, которые установлены непосредственно на силовой ошиновке блока инвертора.

В электроприводах мощностью 22-75 кВт датчики тока и напряжения расположены на вертикальной панели, которая одновременно обеспечивает механическую прочность оболочки шкафа, соединяя левую и правую стенки.

Элементы системы управления - контроллер, пульт управления, блоки питания контроллера и драйверов - расположены на внутренней поверхности двери шкафа. Блок драйверов в электроприводах мощностью до 15 кВт также расположены на двери, в остальных конструкциях блоки драйверов расположены на групповом тепло отводе в непосредственной близости к IGBT-модулям.

Охлаждение электроприводов мощностью до 15 кВт естественное, в остальных конструкциях охлаждение принудительное посредством встроенных вентиляторов. Охлаждающий воздух поступает к вентиляторам через отверстия в верхней части двери, обдувает дроссели и направляется к ребрам группового тепло отвода, на поверхности которого установлены основные тепловыделяющие элементы - силовые диодные модули и IGBT-модули.



Заключение

В результате выполнения курсовой работы был разработан электропривод скипового подъемника с заданными параметрами по скорости движения и тяговой мощности, а также система управления электроприводом. Были построены и исследованы энергетические характеристики ряда асинхронных двигателей, что позволило выбрать приемлемый тип двигателя и проверить его реальные возможности на обеспечение заданных скоростных параметров системы. Произведен расчет основных параметров и осуществлен выбор основных элементов автономного инвертора напряжения (АИН). АИН рассчитан и спроектирован на основе современных переключающих устройств (силовых IGBT-транзисторов), обеспечивающих хорошие технические показатели при допустимом тепловом балансе рабочего режима ключевых элементов схемы АИН.

Произведен статический и динамический расчеты системы. Построены статические характеристики асинхронного двигателя. Для коррекции переходных процессов в системе был применены ПИ регуляторы, включение которого обеспечило желаемый переходной процесс в замкнутой системе электропривода. Анализ переходного процесса показал, что система отрабатывает управляющее воздействие в заданное пусковое время, однако перерегулирование составляет 0.05%.

Были построены и скорректированы вольт - частотная характеристика и механические характеристики двигателя переменного тока.

Для управления автономным инвертором напряжений и электроприводом скипового подъемника в целом была разработана схема управления с выбором элементов информационного канала, а также определены параметры и других необходимых элементов схемы управления.

В работе приведена электрическая принципиальная схема электропривода, дано описание основных блоков и принципа работы каждого из них.

В целом разработанный частотный электропривод скипового подъемника соответствует современным требованиям к электроприводу и не уступает по характеристикам зарубежным аналогам.



Список использованных источников

1. Карнаухов Н.Ф. Электромеханические системы (Автоматизированный электропривод): Методическое указание к курсовому проектированию. Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 1996 г.

2. Карнаухов Н.Ф. Электромеханические модули мехатронных систем. Основы расчёта и проектирования: Учебное пособие. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2001 г.

3. Карнаухов Н.Ф. Электромеханические и мехатронные системы: Учебное пособие. - Ростов н/Д: «Феникс», 2006 г.

4. Топчеев Ю.И. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования: Учебное пособие для втузов. - М: «Машиностроение», 1989г.

5. Гольдфарб Л.С., Балтрушевич А.В., Круг Г.К. Теория автоматического управления. ч1 - М: «Высшая школа», 1968 г.

6. Ильинский Н.Ф., Казаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1992 г.

7. Привода «Триол» АТ. Каталог продукции и применений. Корпорация «Триол». - М. -СПб. -1998 г.

8. Силовые IGBT модули. Материалы по применению. - М., 1997 г.

Размещено на Allbest.ru

...