рефераты бесплатно
 

МЕНЮ


Разработка системы управления асинхронным двигателем с детальной разработкой программ при различных законах управления

|8. Номинальная частота, fн |50 Гц |

|9. Активное сопротивление статора, |0.45 Ом |

|rs | |

|10. Активное сопротивление ротора, |0.7 Ом |

|rr | |

|11. Индуктивность рассеяния статора,|43(10-4 Гн |

|l(s | |

|12. Индуктивность рассеяния ротора, |51(10-4 Гн |

|l(r | |

|13. Взаимная индуктивность статора и|0.1045 Гн |

|ротора, Lm | |

Система уравнений для идеализированного трехфазного короткозамкнутого

АД в системе координат, вращающейся с поизвольной скоростью (к с

использованием системы относительных единиц согласно [ ], имеет вид:

[pic]

где [pic] - обобщенные векторы, соответственно, напряжения, тока,

потокосцепления статора;

[pic] - обобщенные векторы, соответственно, тока и потокосцепления

ротора;

[pic] - активные сопротивления, соответственно, статора и ротора;

Lm - взаимная индуктивность статора и ротора;

[pic] - индуктивность рассеяния, соответственно, статора и ротора;

[pic] - соответственно, электромагнитный момент и момент

сопротивления на валу АД;

H - момент инерции ротора АД;

( - угловая скорость вращения ротора АД;

p - символ дифференцирования по времени.

Установившемуся режиму работы АД (все производные в фомуле равны

нулю) системе соответствует T-образная схема замещения АД, изображенная

на рисунке 1, где I( - ток намагничивания АД; (1 - частота питающей сети.

При математическом описании АД принята система относительных единиц,

базовые значения которой определяются системой:

[pic]

- базовый ток;

- базовое напряжение;

- базовая скорость;

- базовая частота;

- базовое время;

- базовый момент;

- базовая индуктивность;

- базовое потокосцепление;

- базовое сопротивление;

- базовый момент инерции.

Целью дипломного проекта является разработка и исследование

автоматической системы регулирования (АСР) асинхронного высоковольтного

электропривода на базе автономного инвертора тока с трехфазным

однообмоточным двигателем с детальной разработкой программы высокого уровня

при различных законах управления.

В ходе конкретизации из поставленной цели выделены следующие задачи.

Провести анализ известных законов управления применительно к

высоковольтным электроприводам и определять на основе анализа рациональные

законы и способы частотного управления высоковольтного злектропривода для

разрабатываемых АСР.

Синтезировать автоматическую систему регулирования высоковольтного

электропривода с трехфазным однообмоточным с учетом следующих требований,

предъявляемым к АСР высоковольтного электропривода.

1. Реализовывать для электроприводов, работающих с постоянным моментом

сопротивления в частых пуско-тормозных режимах управление по закону с

постоянством потокосцепления ротора, обеспечивающему работу

электропривода в интенсивных динамических режимах.

2. Иметь минимальное количество датчиков на валу и внутри машины.

3. Иметь минимальное количество датчиков, осуществляющих высоковольтную

гальваническую развязку.

4. Реализовывать управление трехфазным двухобмоточным короткозамкнутым

асинхронным двигателем.

5. Обеспечивать минимальную сложность технической реализации АСР.

Исследовать разработанные АСР в составе электропривода в динамических

и статических режимах работы.

1.3 Анализ существующих средств автоматизации

Известные в настоящее время технические устройства для частотного

управления асинхронным электроприводом в полной мере не отвечают

требованиям, предъявляемым к мощному высоковольтному электроприводу и им

присущи следующие недостатки:

. ограниченная низкоскоростными электроприводами область применения,

необходимость изготовления специальной машины или переделка серийной,

применение специальных устройств для механического сочленения валов,

невозможность применения в запыленных и агрессивных средах, что

обусловлено наличием датчиков на валу и внутри машины;

. высокая сложность технической реализации, обусловленная наличием сложных

технических устройств: координатного преобразования, векторных фильтров,

фазовращателей, функциональных преобразователей, блоков коррекции

мгновенного значения частоты;

. наличие большого числа датчиков, осуществляющих высоковольтную

гальваническую развязку;

. невысокая надежность, что обусловлено наличием датчиков на валу и внутри

машины, высокой сложностью технической реализации блоков АСР, датчиков,

осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку.

1.4 Обоснование системы автоматического управления

При частотном управлении асинхронными двигателями наиболее часто

используются следующие законы: поддержание постоянства потокосцепления

статора (Y1=const), поддержание постоянства главного потока машины

(Y0=const), поддержание постоянства потокосцепления ротора (Y2=const), и

регулирование величины потокосцепления в зависимости от величины

нагрузочного момента (Y1, Y0, Y2) =f(M)).

Первый закон реализуется при поддержании постоянного отношения ЭДС

статора к угловой частоте поля. Основным недостатком такого закона является

пониженная перегрузочная способность двигателя при работе на высоких

частотах, что обусловлено увеличением индуктивного сопротивления статора и,

следовательно, снижением потокосцепления в воздушном зазоре между статором

и ротором при увеличении нагрузки.

Поддержание постоянства главного потока повышает перегрузочную

способность двигателя, но усложняет аппаратную реализацию системы

управления и требует либо изменений конструкции машины, либо наличия

специальных датчиков.

При поддержании постоянного потокосцепления ротора, момент двигателя

не имеет максимума, однако при увеличении нагрузки увеличивается главный

магнитный поток, приводящий к насыщению магнитных цепей и, следовательно, к

невозможности поддержания постоянства потокосцепления ротора.

Общим недостатком законов с поддержанием постоянства потокосцепления

являются: низкая надежность, обусловленная наличием датчиков, встраиваемых

в двигатель, и потери в стали при работе двигателя с нагрузочным моментом

меньше номинального. Эти потери вызваны необходимостью поддержания

постоянного номинального потокосцепления в различных режимах работы.

Существенно повысить КПД двигателя можно путем регулирования

магнитного потока статора (ротора) в зависимости от величины нагрузочного

момента (скольжения). Недостатками такого управления являются низкие

динамические характеристики привода, обусловленные большой величиной

постоянной времени ротора, из-за чего магнитный поток машины

восстанавливается с некоторой задержкой и сложность технической реализации

системы управления.

На практике группа законов с постоянством магнитного потока получила

распространение для динамичных электроприводов, работающих с постоянным

моментом сопротивления на валу и с частыми ударными приложениями нагрузки.

В то время как группа законов с регулированием магнитного потока в функции

нагрузки на валу применяется для низкодинамичных электроприводов и для

приводов с “вентиляторной” нагрузкой.

В то же время существует ряд приводов таких механизмов как насосы,

компрессоры, конвейеры и т. д., которые занимают промежуточное положение

между динамичными и низкодинамичными, и для которых существующие системы не

в полной мере удовлетворяют предъявляемым к этим приводам требованиям.

Высокодинамичные привода имеют сложную систему управления и повышенные

энергетические потери при недогрузе двигателей, а низкодинамичные привода

не всегда способны отработать быстрые изменения статического момента.

На основании вышесказанного можно сделать вывод, что существующие

системы не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к

электроприводам c асинхронными двигателями.

Учитывая, что в настоящее время большинство приводов таких механизмов как

вентиляторы, насосы, компрессоры и т. д. имеют нерегулируемый привод,

актуальной является задача выбора системы управления. Причем система

управления должна обеспечивать достаточно высокое быстродействие,

надежность и высокие энергетические характеристики привода.

Как уже было отмечено, высокими энергетическими характеристиками

обладают системы с регулированием магнитного потока в функции нагрузки.

Увеличить их динамические характеристики можно путем форсировки статорного

напряжения (тока) во время переходных процессов и частых формирований

управляющих воздействий. Получить высокую надежность можно за счет

применения упрощенной системы регулирования, отказа от встроенных в

двигатель и механически связанных с ротором датчиков.

На рис. показана структурная схема системы, поддерживающей постоянство

угла между векторами тока статора (I1) и потокосцепления ротора (Y2), что

равнозначно поддержанию постоянства относительного скольжения двигателя.

Система управления состоит из: задатчика интенсивности (1);

программируемого контроллера (2); блока широтно - импульсного модулятора

(3); асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором (4); датчика

тока (5) и блока определения угла (6). Поддержание постоянства угла между

I1 и Y2 обеспечивает работу двигателя в области номинального режима с

максимальными значениями КПД и cos(j). Кроме того, привод, обладая

абсолютно жесткой механической характеристикой, что обусловлено

постоянством относительного скольжения, получает возможность точного

регулирования скорости вращения ротора путем изменения частоты поля.

Для технической реализации системы с поддержанием постоянства

коэффициента полезного действия электродвигателя необходимо знать либо

мгновенные величины относительного скольжения либо величину угла между

током статора и потокосцеплением ротора. Измерить скольжение можно с

помощью электромеханического или цифрового датчика скорости, угол между I1

и Y2 - с помощью датчиков напряжения и датчиков фазных токов. Так как

датчик скорости существенно повышает стоимость системы регулирования,

эксплуатационные затраты и ухудшает общую надежность системы, то более

предпочтителен вариант системы с обратной связью по углу между векторами

тока статора и потокосцепления ротора.

Существующие в настоящее время методы определения угла между I1 и Y2,

например [1, 2, 3], имеют низкое быстродействие (не более шести измерений

искомого угла за один оборот вектора поля) и невысокую точность измерения,

обусловленную “дрейфом нуля” аналоговых элементов схемы и вводом в алгоритм

определения углов активного сопротивления статора, значение которого

изменяется в широких пределах при нагреве двигателя.

Рассмотрим алгоритм определения угла между I1 и Y2, лишенный

вышеуказанных недостатков. Для обоснования алгоритма построим векторную

диаграмму асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, отложив вдоль

действительной оси Ra ток намагничивания I0, определенный по известным

реактивным параметрам асинхронного двигателя и измеренным значениям фазных

токов и напряжений [4].

[pic]

Значение углов между I1 и Y2 можно определить в реальном масштабе

времени, когда вращение вектора тока статора статора I1 определяется

частотой питания асинхронного двигателя и в ускоренном масштабе времени,

когда вращение вектора тока I1 определяется в модели выбранным шагом

временного интервала и быстродействием микропроцессорной системы. Второй

вариант измерения углов более предпочтителен, так как позволяет осуществить

больше измерений. По измеренным значениям фазных токов двигателя определяем

величину вектора тока I1 и совмещаем его в модели с действительной осью Ra,

а затем переводим (в произвольный момент времени t1) вектор тока I1 в

неподвижную, относительно статора, систему координат, то есть начинает

выполняться программа, согласно которой вектор тока I1 поворачивается

против часовой стрелки со скоростью, определяемой быстродействием

микропроцессорной системы и выбранным шагом временного интервала.

[pic]

Из Т-образной схемы замещения (рис. 3) видно, что [pic], то есть векторы

тока и потокосцепления ротора взаимно перпендикулярны. В процессе поворота

угол между векторами I0 и Y2 g(t) будет изменяться согласно выражения:

[pic] (1), где a=w0t - текущий угол между вектором тока статора и

действительной осью Ra. В момент времени t2 вектор тока статора I1 займет

положение OC, при котором векторы тока ротора I2 и потокосцепления ротора

Y2 взаимно перпендикулярны, то есть g(t2)=g.

Из рис. видно, что при g(t2)=g выполняется соотношение:

I1(sinb=BC=AC+AB.

Величина отрезка AB определяется из подобия треугольников OBA и OED: [pic].

Так как AC = i2 (из векторной диаграммы), то

BC = I2 + [pic] = [pic].

Величина отрезка AC определяется из треугольника АFC:

[pic] (2).

Таким образом, изменяющийся во времени угол g(t) будет равен углу между

векторами тока намагничивания I0 и потокосцепления ротора Y2 асинхронного

двигателя в момент выполнения равенства:

[pic]. (3)

Из векторной диаграммы (рис. ) видно, что искомый угол b между векторами

тока статора I1 и потокосцепления ротора Y2 будет определяться как:

b = a(t2) + g(t2) = w0(t + g

2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

2.1 Наименование и область применения

Разрабатываемое устройство называется: автоматическая система

управления асинхронным двигателем.

Область применения разрабатываемого устройства не ограничивается

горнодобывающей промышленностью и может использоваться на любых

предприятиях для управления машинами с асинхронным приводом.

2.2 Основание для проведения разработки

Проектируемая АСУ предназначена для управления асинхронным двигателем

и осуществляет регулирование и измерение его основных параметров.

Автоматизированная система управления асинхронным двигателем может

применяться для замены уже установленных систем управления устаревших

образцов. При этом требуются минимальные капитальные затраты, но

достигается значительное улучшение работы объекта управления.

2.3 Цель и назначение разработки

Целью создания АСУ является повышение технико-экономических

показателей работы асинхронного двигателя. При этом эффективность

управления достигается за счет применения современных методов управления

технологическими процессами, а также использования новейших технических

средств автоматизации.

2.4 Требования к системе

Распределение функций АСУ должно быть выполнено с целью достижения

высокой устойчивости системы к отказам ее структурных компонентов и

сочетаться с централизацией функций принятия решений по управлению

технологическим процессом.

В целях повышения надежности функционирования АСУ должно быть

предусмотрено резервирование ее структурных компонентов.

АСУ должна быть реализована в виде структуры, состоящей из

определенного количества функциональных подсистем и отражающей принципы

декомпозиции АСУ как по технологическому признаку, так и в соответствии с

иерархией реализуемых задач управления.

2.4.1 Требования к комплексу решаемых задач

Для реализации поставленных задач система должна обеспечивать:

. пуск и останов двигателя;

. изменение частоты вращения вала двигателя;

. регистрацию (вывод на экран и печать) основных параметров двигателя

(информация должна представляться на экране оператору в удобной для

чтения форме: в виде таблиц и графиков);

. экстренный останов двигателя в случае поступления аварийного сигнала от

датчиков (при отклонении параметров от допустимых технологических

пределов);

. резервирование измерительных каналов.

2.4.2 Нижний уровень

Нижний уровень должен решать задачи сбора информации с датчиков

технологических параметров, контроль исправности датчиков и линий связи,

контроль параметров и сигнализация об отклонениях их за допустимые

технологические пределы, а также передает их в АСУ верхнего уровня.

2.4.3 Верхний уровень

Верхний уровень АСУ выполняет функции диалогового взаимодействия с

оператором, включающие в себя отображение, накопление и анализ данных по

измеренным параметрам двигателя, рассчитанным значениям параметров

двигателя.

2.4.4 Требования к надежности

В качестве комплексного показателя надежности

(учитывающего безотказность и ремонтопригодность) согласно ГОСТ 24.701-86

должен использоваться коэффициент готовности, определяющий вероятность

работоспособности системы в любой произвольно выбранный момент времени в

соответствии с режимом работы объекта управления.

Коэффициент готовности для системы в целом должен составить :

для автоматического режима (с учетом надежности датчиков)

- Кг=0,995;

для автоматического режима (без учета надежности датчиков)

- Кг=0,998;

для режима ручного (дистанционного) управления

- Кг=0,998.

2.4.5 Требования к безопасности

При проектировании АСУТП должны быть предусмотрены меры по

обеспечению безопасности при монтаже, эксплуатации, обслуживанию и ремонту

технических средств в соответствии с действующими нормативными документами

:

"Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий" СН 245-71,

утвержденные Госстроем СССР 05.02.71г.;

"Правила устройства электроустановок" ПУЭ-76;

"Пожарная автоматика зданий и сооружений" СНиП 2.04.09-84г.;

"Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Оборудование

производственное. Общие требования безопасности" ГОСТ 12.2.003-74;

"ССБТ. Цвета сигнальные и знаки безопасности", ГОСТ 12.4.026-76;

Уровень освещенности рабочих мест персонала АСУ должен

соответствовать характеру и условиям труда. Должны быть предусмотрены

защита от слепящего действия света и устранение бликов.

Для помещения микропроцессорной техники должна быть разработана

система автоматического пожаротушения. Все помещения, в которых размещаются

средства АСУ, должны быть оборудованы автоматической пожарной

сигнализацией.

Требования к безопасности электрических изделий, используемых в АСУ,

должны соответствовать

ГОСТ 12.2.007.0-75.

Требования к безопасности средств вычислительной техники,

используемой в АСУ, должны соответствовать ГОСТ 25861-83.

Все внешние элементы технических средств АСУ, находящиеся под

напряжением, должны иметь защиту от случайного прикосновения.

Все технические средства должны иметь защитное заземление.

2.4.6 Требования к эргономике и технической эстетике

Отделка помещений микропроцессорной техники и центрального поста

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9


ИНТЕРЕСНОЕ



© 2009 Все права защищены.