Система векторного керування асинхронного двигуна

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМЕНІ ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО»

Факультет електроенерготехніки та автоматики

Кафедра автоматизації електромеханічних систем та електроприводу

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

з кредитного модуля « Автоматизація електромеханічних систем - 2»

на тему: «Система векторного керування асинхроного двигуна»

Студента III курсу групи ЕП-п51

Філіппенка Миколи Вікторовича

Керівник

Приступа Д.Л.

Київ - 2017 рік



Вступ

Сучасні проблеми автоматизації вимагають нових та удосконалення старих систем управління. Тому дослідження векторного керування, як одного із найперспективнішіго напрямку розвитку вимагає детального аналізу для подальшого покращення даної системи управління електроприводом.

В даному курсовому проекті будуть розглянуті базові принципи побудови алгоритмів прямого векторного керування, методи робастифікації алгоритмів, а також методи дослідження статичних та динамічних властивостей спроектованих алгоритмів. Ця низка заходів допоможе у процесі виконання курсового проекту набути практичних навичок щодо проектування та дослідження шляхом математичного моделювання статичних та динамічних режимів алгоритмів прямого векторного керування.

У даній роботі буде виконано детальний літературний огляд сучасних методів керування моментом, та швидкістю асинхронних двигунів. На основі цього аналізу ми подивимось які системи більш придатні для механізмів реактивного типу, а які для маніпуляторі, які методи керування є більш економічні, а які енергетично не ефективними. Для заданого згідно з варіантом завдання двигуна (АД) розрахуємо значення параметрів номінального режиму та схеми заміщення. Розробимо систему векторного керування асинхронним двигуном на основі алгоритму прямого векторного керування. Та методом математичного моделювання будуть проведені математичні дслідження динамічних та статичних характеристик розробленої системи. Буде розроблена функціональна схема асинхроного електроприводу, та розкриті призначення основних його елементів, виконаємо їх розрахунок та вибір основніх елементів. По всім отриманим результатам будуть зроблені висновки, та проаналізовано майбутній розвиток систем векторного керування.



1.Літературний огляд сучасних методів керування

Технологічний процес часто вимагає зміни частоти обертання виконавчого механізму. З цією метою широко застосовуються коробки швидкостей, які суттєво ускладнюють кінематику, викликають вібрації системи і збільшують інерційність приводу. Для підвищення точності обробки та збільшення продуктивності доцільно використовувати регулювальні властивості електричних двигунів.

Більшість використовуваних електричних двигунів є асинхронними та мають короткозамкнений ротор (squirrel-cage rotor). Їх широке застосування в першу чергу обумовлюється простотою в обслуговуванні, експлуатації, простотою конструкції, низькою вартістю і високою надійністю. Головним недоліком такого двигуна завжди вважалася складність регулювання кутовою швидкістю. Але сучасні технології, поява напівпровідникових пристроїв та перетворювачів частоти дозволило наблизити АД за регулювальними властивостями до двигуна постійного струму.

Але перш ніж людство винайшло частотне керування, користувалися іншими способами регулювання швидкістю та моментом АД. Розглянемо де-які з них, їх недоліки та переваги.

Взагалі в асинхронних двигунах частота обертання визначається рівністюформула (1.1):

(1.1)

З цієї рівності випливає, що змінювати можна трьома способами: зміною частоти , числа пар полюсів і ковзання .

А також з курсу електричних машин та теорії електроприводу відома формула (1.2), що описує залежність величини електромагнітного моменту АД від параметрів машини та прикладеної зовнішньої напруги.

(1.2)

Для зміни моменту двигуна згідно до формули (1.2) і відповідно для керування швидкістю існують наступні способи:

-Зміна напруги статора U1;

-Зміна частоти напруги статора f1, в тому числі одночасно зі зміною напруги статора U1;

-Зміна активного електричного опору кола ротора R'2 (тільки для двигунів із фазним ротором);

-Зміна числа пар полюсів p (тільки для спеціальних полюсоперемикаємих двигунів);

-Використання енергії ковзання за допомогою спеціальних каскадних схем (тільки для двигунів із фазним ротором);

-Подвійне живлення двигуна (тільки для двигунів із фазним ротором);

-Зміна електричного опору кола статора R1 (тільки для двигунів із короткозамкненим ротором).

1.1 Регулювання частоти обертання асинхронного двигуна шляхом перемикання числа пар полюсів

Ступінчасте регулювання швидкості можна здійснити, використовуючи спеціальні багатошвідкісні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором.

З виразу випливає, що при зміні числа пар полюсів маємо механічні характеристики з різною частотою обертання магнітного поля статора. Так як значеннявизначається цілими числами, то перехід від однієї характеристики до іншої в процесі регулювання носить ступінчастий характер.

Існує два способи зміни числа пар полюсів. У першому випадку в пази статора укладають дві обмотки з різним числом полюсів. При зміні швидкості до мережі підключається одна з обмоток. У другому випадку обмотку кожної фази складають з двох частин, які з'єднують паралельно або послідовно. При цьому число пар полюсів змінюється в два рази.

Регулювання швидкості шляхом зміни числа пар полюсів є достатньо економічним, а механічні характеристики зберігають необхідну жорсткість. Недоліком цього способу є ступінчастий характер зміни частоти обертання асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором. Випускаються двохшвидкісні двигуни з числом полюсів 4/2, 8/4, 12/6 [1].

1.2 Регулювання частоти обертання асинхронного двигуна шляхом введення резисторів в ланцюг ротора

Введення резисторів в ланцюг ротора можливо реалізувати лише для асинхронних двигунів з фазним ротором. Такий вид регулювання призводить до збільшення втрат потужності і зниження частоти обертання ротора двигуна за рахунок збільшення ковзання, оскільки .

Як бачимо з рисунку 1.1б, при збільшенні опору в ланцюзі ротора при однаковому статичному моменті частота обертання валу двигуна зменшується.

Рисунок 1.1 - механічні характеристики двигуна при введенні додаткового опору в коло ротора

Жорсткість механічних характеристик значно знижується зі зменшенням частоти обертання, що обмежує діапазон регулювання до (2 - 3). Недоліком цього способу є значні втрати енергії, які пропорційні ковзанню. До того ж таке регулювання можливе лише для двигуна з фазним ротором.

Частота обертання ротора в може бути також регульована зміною напруги живлення . Однак зі збільшенням з'являється небезпека перевищення допустимої температури нагріву двигуна, а зі зменшенням зменшується перевантажувальна здатність двигуна.

Всі недоліки вищезазначених способів ліквідуються за рахунок використання найсучасніших способів керування швидкістю АД: частотного та векторного. Розглянемо їх більш детально:

1.3 Частотне керування

Швидкість холостого ходу пропорційна частоті і не залежить від будь-яких інших величин. Разом з тим, змінюючи, слід дбати про амплітуду напруги: при зменшенні для збереження магнітного потоку на де-якому, наприклад, номінальному рівні відповідно дослід змінювати так щоб .

При збільшенні частоти від номінальної при потік відповідно до буде зменшуватися.

Як випливає з , в нехтуванні , тобто в припущенні, що , критичний момент також пропорційний , Тоді як критичне ковзання обернено пропорційно .

Механічні характеристики при частотному регулюванні в припущенні, що , показані на рис. 1.2, б.

a)	б)	в)

Рисунок 1.2 - Схема частотно-регульованого електроприводу (а), механічні характеристики (б), залежність напруги від частоти (в) 

Проведемо оцінку частотного регулювання швидкості:

1. Регулювання двозонне - вниз і вгору (,) від основної швидкості.

2. Висока стабільність швидкості.

3. Плавне регулювання.

4. Максимальне навантаження при регулюванні вниз від основної швидкості, при регулюванні вгору.

5. Спосіб економічний в експлуатації - немає додаткових елементів, які розсіюють енергію; малі втрати в перехідних процесах. Безсумнівна перевага - гнучкість управління координатами в замкнутих структурах.

Серед недоліків даного способу керування:

Наявність статичної похибки.

Підвищенна коливальність перехідних процесів.

Малий діапазон регулювання

Системи векторного керуванняпозбавлені всіх вище зазначених недоліків, але є значно складнішими в реалізації, тому що необхідно більше датчиків, підвищена точність вимірювань і значна кількість обчислень в реальному часі. До того ж ці системи є дуже чутливими до параметричних збурень АД.

Отже головними перевагами векторного керування є:

-висока точність регулювання швидкості;

-плавний старт і плавне обертання двигуна у всьому діапазоні частот;

-швидка реакція на зміну навантаження: при зміні навантаження практично не відбувається зміни швидкості;

-збільшений діапазон управління і точність регулювання;

-знижуються втрати на нагрів і намагнічування, підвищується ККД електродвигуна.



1.4 Керування швидкістю за рахунок зміни напруги статора

Для реалізації способу керування двигун живиться від силового регулятора напруги. Зниження напруги статора не впливає на швидкість ідеального холостого ходу та на критичне ковзання , а тільки зменшує пропорційно квадрата напруги критичний момент . Отже, всі штучні характеристики проходять через одну точку та мають однакове критичне ковзання . Перевагою даного способу керування є можливість плавної зміни швидкості. Недоліком є суттєве зменшення перевантажувальної здатності двигуна пропорційно квадрата напруги та зниження жорсткості механічних характеристик, що призводить до підвищення втрат у колі ротора. Тому цей спосіб використовується при невеликому діапазоні керування швидкості в межах 1,5-2, а також для запуску механізмів та короткочасного зниження швидкості. Розширення діапазону керування до 5-8 та підвищення жорсткості характеристик здійснюється за рахунок замкненої системи керування зі зворотним зв'язком за швидкістю. Сімейство штучних характеристик зображено на рисунку 1.3

Рисунок 1.3 - Механічні характеристики АД при зміні амплітуди напруги живлення	Рисунок 1.4-Керування швидкістю за рахунок зміни частоти таамплітуди напруги живлення



При використанні цього методу потрібно враховувати, що для запобігання насичення магнітопроводу частоту живлення можна тільки збільшувати відносно номінальної. Збільшення частоти призводить до пропорційного збільшення синхронної швидкості та зменшення пропорційно квадрату частоти критичного моменту . Жорсткість механічних характеристик на робочій ділянці не змінюється. Сімейство штучних механічних характеристик представлено на рисунку 1.4

Перевагою способу є плавна зміна швидкості при незмінній жорсткості характеристик. Недолік полягає в зменшенні перевантажувальної здатності двигуна та можливості керування швидкістю тільки вище номінальної.

1.5 Керування швидкістю за рахунок зміни напруги пропорційно частоті (Закони М.П. Костенко)

Для ліквідації явища зменшення критичного моменту використовують метод регулювання швидкості коли одночасно зі зміною частоти реалізується змінення амплітуди напруги живлення згідно з визначеним законом. Сукупність цих законів мають назву - закони керування Костенко.

Основним законом (1.3) є закон зміни напруги та частоти при якому не змінюється значення критичного моменту.

(1.3)

Сімейство штучних механічних характеристик, які мають паралельні робочі ділянки, представлено на рис. 1.5. На представленій механічній характеристиці, пунктиром, проілюстроване явище зниження критичного моменту при низьких швидкостях що зумовлене впливом знехтуваного спадом напруги в колі статора.

Рисунок 1.5 - Механічні характеристики АД при зміні частоти напруги живлення

Також існують варіанти для різноманітних навантажень. Для таких механізмів як вентилятори, насоси тощо, статичний момент яких пропорційний квадрату швидкості , найбільш економічним є закон частотного керування (1.3), механічна характеристика АД при його використанні зображена на рисунку 1.6 .

,(1.3)

Для керування швидкістю із забезпеченням постійної потужності двигуна, але з зменшенням критичного моменту двигуна застосовується закон частотного керування (1.4) .

.(1.4)

Сімейство штучних механічних характеристик показано на рисунку 1.7.

Рисунок 1.6 - Механічні характеристики АД при зміні частоти та квадратичній зміні амплітуди напруги живлення	Рисунок 1.7 - Механічні характеристики АД при зміні частоти та зміні амплітуди напруги живлення за законом кореня

1.6 Векторне керування

Звичайний, скалярний підхід керування координатами АД не в змозі забезпечити високі вимоги до динаміки що ставляться до електроприводів таких механізмів як роботи, верстати з ЧПК, маніпулятори. В таких механізмах необхідно забезпечувати широкий діапазон регулювання та максимальну швидкодію без коливань швидкості це стає можливим лише якщо у перехідному процесі підтримувати на заданому рівні магнітний потік і відповідно електромагнітний момент двигуна. Вказані вимоги обумовили розробку векторного керування, в якому в якості керуючих впливів використовуються просторові положення векторів електромагнітних величин.

На сьогодні існує кілька різновидів векторного керування. Найбільш широко використовуються прямий контроль моменту (DTC - direct torque control) і контроль по полю (FOC - field oriented control).



1.6.1 Direct torque control (DTC)

Прямий контроль моменту був представлений на ринку компанією ABB.

Цей метод має такі переваги як:

-проста схема управління;

-хороша динаміка;

-не вимагає датчика положення.

Схема управління класичного методу прямого контролю моменту (DTC) на багато простіше, ніж у методу контролю по полю (FOC), так як не потрібно перетворення систем координат і вимірювання положення і швидкості.

Структурна схема DTC системи векторного керування зображена на рисунку 1.8 .

DTC використовує алгоритм управління, реалізований на мікропроцесорної системі що вбудована в електропривод. Контролер системи керування побудований на основі ASIC (інтегральна схема спеціального призначення) програмно реалізує оцінювач моменту і поля статора, блоки компараторів моменту та потоку, блоки опиту давачів струму та напруги разом з блоком керування ключами інвертора.

Принцип методу прямого контролю моменту полягає у формуванні векторів напруги для одночасного управління моментом і полем статора. Дійсні струми статора і напруга інвертора вимірюються і використовуються для оцінки поля і моменту в контролері. Оцінені величини моменту і поля порівнюються з заданими значеннями, що сформовані відповідними регуляторами, та формують відповідний сигнал для системи керування інвертора що живить двигун.

Недоліком класичного методу прямого контролю моменту (DTC) є наявність високих пульсацій струму і моменту в сталому стані. Проблема усувається підвищенням робочої частоти інвертора вище 40кГц, що збільшує загальну вартість системи управління.

Рисунок 1.8 - ABB Direct torque control system

1.6.2Field oriented control (FOC)

З самого початку цей метод був розроблений для високопродуктивних застосувань де була необхідність безперебійно працювати у всьому діапазоні швидкостей, генерувати максимальний обертовий момент на нульовій швидкості та забезпечувати високі динамічні характеристики. Але в наш час спостерігається тенденція до більш широкого впровадження технології поліоріентованого векторного керування. Очікується, що із збільшенням обчислювальних потужностей мікропроцесорів FOC в кінцевому рахунку майже повсюдно витіснись стандартні методи скалярного керування АД.

Мета векторного управління по полю (FOC) полягає в тому, що б контролювати синхронний двигун з постійними магнітами (СДПМ) або асинхронний двигун, як окремо збуджену машину постійного струму, маючи на увазі, що поле і момент можуть контролюватися окремо. За допомогою математичних рівнянь та інформації про положення ротора або вектора потокозчеплення миттєві значення струмів статора перетворюються до (d-q) системи координат що обертається синхронно з ротором. Поле контролюється через струм по осі d, в той час як момент контролюється через струм по осі q.

Щоб домогтися роздільного управління полем і моментом мало використовувати тільки перетворення (d-q), так як є зв'язок між двома осями, який може бути збалансований за допомогою вирахування з опорної напруги по осях (d-q) відповідних членів. Також можна добавити що, для СДПМ існує два типи векторного управління по полю: управління орієнтоване по ротору і керування орієнтоване по статору.

Структурні схеми FOCдля АД:

Рис 1.9 - Структурна схема АД при струмовому керуванні.

Рис 1.10 - Структурна схема АД, керованого напругою статора.



2. Розрахунок параметрів та схеми заміщення асинхронного двигуна

асинхронний двигун резистор статор

Паспортнідані двигуна 4АР200М4У3, при з'єднанні обмоток статора у зірку, наведено в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1. Паспортні данні двигуна 4АР200М4У3

Номінальна потужність
Номінальна лінійна напруга
Число пар полюсів
Момент інерції
Номінальний ККД
Коефіцієнт потужності
Перевантажувальна здатність
Номінальне ковзання
Критичне ковзання
Номінальна частота напруги
Параметри Г-подібної схеми заміщення у (відносних одиницях)
Індуктивний опір розсіювання статора
Активний опір статора
Приведений індуктивний опір розсіювання ротора
Приведений активний опір ротора
Індуктивний опір намагнічуючого контуру

2.1 Розрахунок номінальних даних двигуна

Кутова частота напруги статора:

Швидкість ідеального холостого ходу двигуна

Номінальна швидкість двигуна:

Номінальний момент двигуна:

Критичний момент двигуна (по перевантажувальній здатності з каталогу)

Номінальні діючі значення фазної напруги статора:

В

Номінальне значення фазного струму статора:

A

Амплітудні значення фазної напруги і струму статора:

B

A

Амплітудні значення потокозчеплення статора в режимі холостога ходу при :

Вб

Перерахунок параметрів з Г-подібної схеми заміщення в Т-подібну

Для перерахунку параметрів з Г-подібної схеми заміщення в Т-подібну використовується наступна методика:

Рисунок 2.1 - Т-подібна схема заміщення асинхронного двигуна

Рисунок 2.2 - Г-подібна схема заміщення асинхронного двигуна

Коефіцієнт перерахунку між Т-подібною та Г-подібною схемами заміщення:

Параметри Т-подібної схеми заміщення у відносних одиницях:

Параметри Т-подібної схеми заміщення в абсолютних одиницях:

Активний опір статора:

Індуктивний опір статора:

Активний опір ротора, приведений до статора:

Індуктивний опір ротора, приведений до статора:

Індуктивний опір розсіювання:

Індуктивність намагнічуючого контуру

Індуктивності розсіювання статора і ротора:

Індуктивності статора і ротора:

На основі проведених розрахунків обчислюються значення наступних параметрів:



Таблиця 2.2 Параметри двигуна 4AР200М4У3

, кВт	37	, Ом	0.106
, рад/с	157	, Ом	0.061
, рад/с	154.8	, Гн	0.035
, Нм		, Гн	0.034
, Нм	517.5	, Гн	0.033
	2	, Ом/Гн	3.03
, А	68.6	, Ом/Гн	1.79
, Вб	0.99	, 1/Гн	0.327
	0.91	, 1/Гн	0.327
	0.88	, Ом/Гн	0.055
		, Гн	2.971

Размещено на Allbest.ru

...