Розробка системи безперервного управління швидкістю асинхронного двигуна з фазним ротором

Введення

Сучасний електропривод складається з великої кількості різноманітних деталей, машин і апаратів, що виконують різні функції. Всі вони в сукупності роблять роботу, спрямовану на забезпечення певного виробничого процесу. Найбільш важливим елементом є система управління електроприводом (СУЕП). Від правильного функціонування системи управління залежить стан об'єкта управління і правильності відпрацювання заданих параметрів.

В даний час СУЕП вирішує кілька важливих завдань:

Формування статичних механічних характеристик електроприводу з метою стабілізації швидкості (або моменту), розширення діапазону регулювання швидкості, обмеження перевантажень, формування адаптивних систем.

Оптимізація перехідних режимів з метою підвищення швидкодії, зниження динамічної помилки, обмеження прискорення, ривків і т.д.

Метою даного курсового проекту є розробка системи безперервного управління швидкістю асинхронного двигуна з фазним ротором з допомогою імпульсно-ключового регулятора додаткового опору роторної ланцюга.

Також необхідно розробити принципову схему, за вибором її елементів, і запропонувати варіант реалізації блоку управління.

1. Визначення структури і параметрів об'єкта управління

У завданні на курсовий проект в якості виконавчого двигуна використовується асинхронний двигун з фазним ротором типу МТН112-6. Даний двигун найбільш часто застосовується в краново-металургійному виробництві. Наведемо паспортні дані для двигуна:

Номінальна потужність P 2н = 15 кВт;

Номінальна напруга статора (харчування) U н = 380 В;

Номінальна напруга ротора U 2ф = 219 В;

Номінальна частота обертання n ном = 955 об / хв;

Критичний момент Ммах = 380 Нм;

Номінальний струм статора I 1н = 38 А;

Номінальний струм ротора I 2н = 46 А;

Коефіцієнт потужності cos j = 0.73;

Коефіцієнт корисної дії h = 82%;

Момент інерції ротора Jp = 0.313 кгм2;

Клас нагрівостійкості - Н;

Ступінь захисту IP 44.

Визначимо необхідні параметри двигуна:

Номінальна швидкість двигуна:

Швидкість холостого ходу:

Номінальний момент двигуна:

Номінальна ковзання двигуна:

Критичне ковзання двигуна:

Відносини опорів:

Опір статора:

Ом

Приведений опір ротора:

Ом

Індуктивний опір короткого замикання:

Ом

Так як Xk = X ₁ + X ₂ ', причому X ₁ »X _2' приймемо: X ₁ = 0.68 Ом, X ₂ '= 0.7 Ом.

Розрахуємо коефіцієнт приведення опору До _r:

Визначаємо опору ротора:

Ом

Про

Виходячи із завдання, силовий канал представляємо наступним чином (рис.1):

рис.1. На представленій схемі: М - асинхронний двигун з фазним ротором; BR - тахогенератор; U 1 - трифазний мостовий випрямляч, включений в ланцюг ротора; ДП - датчик струму; Rd - додатковий опір, шунтований ключем з частотою комутації fk = 3кГц; К - комутатор ; СУ - система управління.

Додатковий резистор Rd включений в ланцюг ротора через некерований випрямляч U 1. Комутатор (ключ) До періодично закорачивается опір Rd, причому шпаруватість g = t вкл / Тком може змінюватися зовнішнім сигналом Uzc в межах від 0 до 1. При g = 0 тобто при не включеному комутаторі, опір роторної ланцюга складе Rr + Rd, що визначить механічну характеристику 2 (рис.2). При g = 1 (ключ включений постійно) Rd = 0 і двигун працює на характеристиці 1, близької до природної (рис.2). Плавне зміна величини шпаруватості в межах 0 <g <1 забезпечує сімейство характеристик, розташовані між характеристиками 1 і 2. Величина g в даному випадку залежить від величини струму і швидкості. Імпульсно-ключовий спосіб керування АД має ряд переваг: Висока швидкодія; Перехід з характеристики на характеристику при перехідних процесах плавний, без стрибків струму і моменту, що підвищує надійність системи.

Поряд з цими перевагами даний спосіб має дуже істотний недолік: Регулювання швидкості здійснюється шляхом підвищення ковзання, що призводить до збільшення втрат. Тому ДКР слід застосовувати тільки в старих електроприводах в якості їх модернізації, і то лише тоді, коли двигун працює на низьких швидкостях нетривалий час.

2. Розрахунок характеристик асинхронного двигуна

За уточненою формулою Клосса розраховуємо значення моменту і швидкості:

Результати обчислень зведені в таблицю 1.

Тб .1

Природна характеристика представлена ​​на рис.2

Визначимо робочу область електроприводу:

Швидкість: Wo (0.05 ... 0.5) = 5.235 ¸ 52.35 рад / с;

Момент: Мн (0.2 ... 1) = 30 ¸ 150 рад / с;

На рис.2 ця область виділена штрихуванням. У режимі ДКР двигун працює на сімействі характеристик з мінливою жорсткістю (через постійне зміни опору Rd). Максимальне значення опору відповідає точці А, розраховуємо його величину за формулою:

,

де: S _'k - критичне ковзання на характеристиці 2;

S _'н - номінальна ковзання на цій характеристиці;

Мн - момент навантаження (для точки А дорівнює 30 Нм).

Знаходимо номінальне ковзання S _'н = 0.95

За допомогою програмного пакету MATHCAD знаходимо значення критичного ковзання на характеристиці 2: S _'k = 7.27, тоді:

R2'max = S _'k * Xk = 7.27 * 1.38 = 10.03 Ом;

R2 'д = R2'ma х-R2' = 10.03-0.4 = 9.63 Ом;

R2 д = R2 'д / Kr = 9.63/1.21 = 7.96 Ом.

Рис.2

Наведемо еквівалентну схему заміщення об'єкта управління щодо випрямленого струму Id:

- Шпаруватість;

, Де:

Kcx - коефіцієнт схеми, приймаємо рівним 1.35

3. Розробка алгоритму управління і розрахунок параметрів елементів структурної схеми

Згідно еквівалентної схеми заміщення запишемо наступні диференціальні рівняння:

де:

Даний об'єкт нелінійний, тому що присутні g * Id, Id ² і т.д. Розглянемо лінеаризацію об'єкта, і запишемо рівняння в збільшеннях:

де:

.

Доцільно використовувати двоконтурну систему підлеглого регулювання координат з внутрішнім контуром випрямленого струму. Виходячи з лінеаризованих диференціальних рівнянь, отримаємо таку структуру (рис.3):

рис.3

Дана структура представлена ​​у загальному вигляді. Визначаємо параметри об'єктів: Розрахуємо максимальну електромагнітну постійну часу і мінімальну електромеханічну постійну, і визначимо їх співвідношення:

Знайдемо відношення постійних часу:

Оскільки ставлення m>> 8, отже, при розрахунках ми можемо знехтувати впливом зворотного зв'язку по ЕРС двигуна.

Для визначення коефіцієнтів двигуна Се та См розрахуємо значення Id поч з формули:

Для знайденого значення Id поч розрахуємо коефіцієнти Се та См за формулами:

Визначимо значення еквівалентного опору:

;

приймемо середнє значення = 0.5, S = 0.95 Þ

Оскільки еквівалентна електромагнітна постійна часу порівнянна з постійною часу перетворювача, то ми не можемо знехтувати дискретністю перетворювача. Для штучного збільшення Те введемо в ланцюг ротора додатковий реактор з індуктивністю Ld '= 6 мгн.

Þ

Дискретність широтно-імпульсного перетворювача можна не враховувати. Коефіцієнт передачі ШІМ приймемо рівним Кшім = 1.

Зробимо налаштування контура струму на технічний оптимум. Розрахуємо необхідний регулятор струму:

за малу постійну часу приймемо:

До ot - коефіцієнт зворотного зв'язку по струму Id.

;

А тепер, отримали ПІ - регулятор струму, з постійною Т pt = 0.059.

Передавальну функцію замкнутого контуру струму представимо у вигляді:

Контур швидкості також налаштуємо на технічний оптимум:

;

Кос - коефіцієнт зворотного зв'язку по швидкості

Ми отримали П - регулятор швидкості Крс = 22

4. Розрахунок динамічних характеристик

Розрахунок динамічних характеристик проведемо за допомогою комплексу МІК-АЛ, використовуючи структуру на рис.3 (але з урахуванням пружної механічної частини). Нижче наведена програма моделювання даного об'єкту:

$ Введення * kurs

Конст

Uu = 1, Mc = 10.3, Kрc = 22, Tрт = 0.059, Kшім = 1, Udn = 509.44, L = 0.0104,

J1 = 0.78, Koc = 0.147, K від = 0.156

17V V = Uu

111U W = 1 Вх = 17

1U W = K р c Вх = 111 +15

2N огран пар = 10 Вх = 1

3L W = 1/Tрт * p Вх = 2 +16

4N огран пар = 10 Вх = 3

5U W = Kшім Вх = 4

6U W = Udn Вх = 5

7L W = 1 / L * p Вх = 6 +100 +200

* Cm *

21U W = 1.05 Вх = 7

* Ce *

100U W =- 1.85 Вх = 9

* R *

200U W =- 40.6 Вх = 7

9L W = 1/J1 * p Вх = 21 +14

14 VV =- Mc

15U W =- Koc Вх = 9

16U W =- Kот Вх = 7

Інт RKT4

Нач вр = 0

Кон вр = 0.65

Крок інт = 0.0001

крок вив = 0.001

Висновок 7,21,9

Виходи 7 = I, 21 = M, 9 = w1

Дисплей 7,21,9

$ Кон

$ Стоп

Результати моделювання представлені у вигляді графіків:

1.Пуск на мінімальну швидкість при мінімальному моменті опору (Uy = 1, Mc = 30 Нм)

Час регулювання (час входження в п'ятивідсотковий коридор) t р = 0.2 с;

Перерегулювання s = 0.2%;

Помилка D W вуст = 0.038рад (D W мах = 0.0524 рад)

2.Пуск на мінімальну швидкість при максимальному моменті опору (Uy = 1, Mc = 150 Нм)

3.Пуск на максимальну швидкість при мінімальному моменті опору (Uy = 10, Mc = 30 Нм)

Час регулювання (час входження в п'ятивідсотковий коридор) t р = 0.5 с;

Перерегулювання s = 1%

Помилка D W вуст = 0.41рад (D W мах = 0.52 рад);

4.Пуск на максимальну швидкість при максимальному моменті опору (Uy = 10, Mc = 150 Нм)

Як видно з наведених графіків, результати не тільки не задовольняють технічним завданням, а й змодельована структура не відображає в повному обсязі властивостей системи.

Замінимо в структурі постійні коефіцієнти См, Се, R на змінні, у відповідності з наступними формулами:

, Де S, g, Id - змінні.

Для поліпшення властивостей системи, введемо адаптивний регулятор з еталонною моделлю, формує оцінку керуючої координати при налаштуванні контуру на технічний оптимум з постійною часу Т m = 0.002 с.

Передавальна функція еталонної моделі становить два послідовно з'єднаних ланки , , Охоплених негативною одиничної зворотним зв'язком. Передавальна функція замкнутого контуру ЕМ має вигляд:

Сумарна структурна схема представлена ​​на рис.4.

У процесі моделювання експериментально підбираємо значення таких коефіцієнтів:

Коефіцієнт П - регулятора швидкості (Крс = 10),

Коефіцієнт посилення адаптивного регулятора (K ку = 30).

Лістинг моделі.

$ Введення

* Kurs

конст Uu = 1, Mc = 150, Krs = 10, Trt = 0.059, Ksh = 1, Udn = 509.44, L = 0.0104,

J1 = 0.78, Koc = 0.147, Kot = 0.156, R1 = 0.77,

R2 = 0.33, Edo = 295.6, Rd = 7.96

17V V = Uu

111U W = 1 bx = 17

555l W = 1/0.000008p2 +0.004 p +1 en = 111

557U W = 30 en = 555 +558

558U W =- 0.147 en = 9

1U W = Krs bx = 111 +15

2N огран пар = 10 bx = 1 +557

3L W = 1/Trt * p bx = 2 +16

4N огран пар = 10 bx = 3

5U W = Ksh bx = 4

6U W = Udn bx = 5

7L W = 1 / L * p bx = 6 +100 +200

* Cm *

8U W =- 2 * R1 bx = 7

20V V = Edo

1111U W = 0.00955 bx = 7 +20

21N УМН bx = 1111 +7

* 21U W = 1.88 bx = 7

* Ce *

22U W =- R1 bx = 7

23V V = Edo

24U W = 0.00955 bx = 22 +23

99N УМН bx = 24 +9

100U W =- 1 bx = 99

* 100U W =- 2.35 bx = 9

* R *

25U W =- 1 bx = 5 * gamma *

26V V = 1

27U W = Rd bx = 26 +25 * Rd * (1-gamma) *

28V V = 2 * R2

29U W =- 1 bx = 9 *- W1 *

30V V = 104.7

31U W = 0.00955 bx = 30 +29 * S *

125U W = 2 * R1 bx = 31

199U W =- 1 bx = 125 +27 +28 *- R *

200N УМН bx = 199 +7

* 200U W =- 5.37 bx = 7

9L W = 1/J1 * p bx = 21 +18

15U W =- Koc bx = 9

16U W =- Kot bx = 7

32N реле пар = Mc bx = 9

18U W =- 1 bx = 32

інт RKT4

поч вр = 0

кон вр = 0.3

крок інт = 0.0001

крок вив = 0.001

висновок 7,21,9

виходи 7 = I, 21 = M, 9 = w

дисплеї 7,21,9

$ Кон

$ Стоп

Нижче наведено результати моделювання. Як видно з графіків, спроектована система практично повністю задовольняє вимогам технічного завдання.

1.Пуск на мінімальну швидкість при мінімальному моменті опору (Uy = 1, Mc = 30 Нм)

Час регулювання (час входження в п'ятивідсотковий коридор) t р = 0.06 с;

Перерегулювання s = 1.5%;

Помилка D W вуст = 0.035рад (D W мах = 0.0525 рад);

2.Пуск на мінімальну швидкість при максимальному моменті опору (Uy = 1, Mc = 150 Нм)

Час регулювання (час входження в п'ятивідсотковий коридор) t р = 0.067 с;

Перерегулювання s = 1%; Помилка D W вуст = 0.01рад (D W мах = 0.0525 рад);

3.Пуск на максимальну швидкість при мінімальному моменті опору (Uy = 10, Mc = 30 Нм)

Час регулювання (час входження в п'ятивідсотковий коридор) t р = 0.23 с;

Перерегулювання s = 0.1%;

Помилка D W вуст = 0.4рад (D W мах = 0.525 рад)

4.Пуск на максимальну швидкість при максимальному моменті опору (Uy = 10, Mc = 150 Нм)

Час регулювання (час входження в п'ятивідсотковий коридор) t р = 0.61 с;

Перерегулювання s = 0.3%;

Помилка D W вуст = 0.45 рад (D W мах = 0.525 рад);

5. Розробка принципової схеми і вибір її елементів

Вибір елементів еталонної моделі.

Уявімо схемну реалізацію еталонної моделі:

рис.5

Вибираємо прецизійні операційні підсилювачі DA 1 і DA 2 серії КР140УД25А. Параметри ОУ: U піт = ± 15 В, I потр = 5 мА, напруга зміщення U см = 0.03 мВ.

Приймемо ємність С1 і С2 - по 0.5мкФ

Вибираємо конденсатори К71-7-0.5мкФ ± 0.5%

Виходячи з того, що Т m = 0.002 с, розрахуємо величини опорів R 1, R2, R3

Вибираємо:

R 1, R 3 - C 2-29 B -0.25-8.06 кОм ± 0.5%

R 2 - C 2-29 B -0.25-4.02 кОм ± 0.5%

С3-С6 - блокувальні конденсатори (для запобігання зворотного зв'язку з харчування) серії К10-17-25В-0.1мкФ ± 0.5%

Для виключення інтегрування власної помилки ОУ необхідно в початковий момент часу закоротити ключ, роль якого виконує мікросхема КР590КН2 до складу якої входить чотири аналогових ключа, U піт = ± 15 В.

Реалізація регулятора швидкості:

рис.6

Вибираємо R 1 - 10 кОм, тоді для реалізації Крс = 10:

Для створення зворотного зв'язку по швидкості першої маси застосуємо тахогенератор ТП50-100-1 з параметрами U мах = 150 В Þ в нашому випадку приймемо, що на максимальній швидкості тахогенератор виробляє 75 В. Jp = 360 * 10 ^-7 кгм ^2, Мтр = 270 * 10 ^-4 Нм. Видно, що момент інерції ротора тахогенератора і додатковий момент опору настільки малі в порівнянні з основними параметрами системи, що ними можна знехтувати.

Для узгодження вихідної напруги тахогенератора з системою управління, застосуємо дільник, представлений на рис.7

рис.7

Приймемо R 5 = 10 кОм Þ

Отже:

R 1, R 5 - C 2-29 B-0.25-10кОм ± 0.5%

R 2 - C 2-29 B-0.25-13кОм ± 0.5%

R 4 - C 2-29 B-0.5-100кОм ± 0.5%

R 6 - два паралельно з'єднаних C 2-29 B-0.5-130кОм ± 0.5%

С1, С2 - блокувальні конденсатори (див. вище)

DA 1 - КР140УД25А.

Реалізація суматора (з коефіцієнтом посилення ККУ = 30).

рис.8

Вибираємо R 1 = 10 кОм Þ

R 1 - C 2-29 B-0.25-10кОм ± 0.5%

R 2 - C 2-29 B-0.5-100кОм ± 0.5%

R 6 - C 2-29 B-1-300кОм ± 0.5%

DA 1 - КР140УД25А.

Реалізація суматора з обмеженням сигналу.

рис.9

Вибираємо: R 1, R 2, R 3 - C 2-29 B-0.25-10кОм ± 0.5%

Для обмеження використовується стабілітрон 2С210 A з параметрами:

U ст = 10 В, I ст = 5 мА, D U ст = 9-10.5 В.

DA 1 - КР140УД25А.

Реалізація регулятора струму.

рис.10

Для отримання сигналу зворотного зв'язку по струму застосуємо датчик струму на основі елемента Холу: LTS 25 - NP з параметрами: I ном = 25 А, I мах = 75 А, U піт = 5 В, точність-0.7% від I ном.

Реалізовувати І-регулятор струму будемо з допомогою двох мікросхем КР140УД25А

Один операційний підсилювач служить для підсумовування сигналу завдання на струм і сигналу зворотного зв'язку, другий будемо використовувати як інтегратор сигналу, що надходить з суматора, передбачивши обмеження за допомогою стабілітрона 2С210А. Як закорочування інтегратора застосуємо другий ключ мікросхеми КР590КН2.

Для зміщення сигналу від датчика струму подамо на перший ОУ U см = 2.5 В, використовуючи дільник R 5 - R 6 (по 10 кОм)

Вибираємо R1 = R3 = 10 кОм, тоді:

Вибираємо конденсатор С1 - К71-7-0.5мкФ ± 0.5% Þ

Оскільки Т pt = 0.073, то:

Отримали:

R 1, R 3 - C 2-29 B-0.25-10кОм ± 0.5%

R 2 - C 2-29 B-0.25-2кОм ± 0.5%

R 4-два паралельно з'єднаних C 2-29 B-1-291кОм ± 0.5%

DA1, DA2 - КР 140 УД 25 А.

С1 - К71-7-0.5мкФ ± 0.5%

Тепер об'єднаємо окремо розглянуті блоки в загальну схему. Сумарна принципова електрична схема представлена ​​на аркуші КП.000.019.002 ЕЗ

6. Розробка конструкції блоку управління

Всі пристрої блоку управління зібрані на вибраних раніше операційних підсилювачах, резисторах, конденсаторів, стабілітронів та інших елементах. Монтаж зробимо на стеклотекстолітовую плату, монтаж елементів односторонній, розводка доріжок двостороння. Розташування елементів відповідає найбільш раціональної розводці. Для визначення розмірів друкованої плати необхідно спочатку визначити сумарну площу, яку займають елементи:

Резистори

У схемі присутні три види резисторів з різною потужністю.

Конденсатори

У схемі присутні два види конденсаторів.

Примітка: На ланцюга харчування, що відходять від роз'єму, необхідно поставити полярні блокувальні конденсатори, ємність яких залежить від споживаного струму (тобто на ланцюгу +15 В і -15 В - К50-31-25В-100мкФ, на ланцюг +5 В - конденсатор К50-31-25В-10мкФ)

Полярні конденсатори:

Мікросхеми

У схемі присутні два види мікросхем: операційні підсилювачі КР140УД25А, а так само логічний ключ КР590КН2.

Сумарна площа, займана елементами, складає приблизно:

, Де

Кразв - коефіцієнт, що враховує «розводку» плати, приймаємо рівним 0.4

Після приблизного розміщення елементів, з'ясували, що довжина друкованої плати становить 180 мм, зі стандартного ряду вибираємо ширину плати - 110 мм

Подача напруги живлення (+15 В, -15 В, +5 В), сигналів завдання і зняття сигналів зворотного зв'язку здійснюється через роз'єм СНО51-30/59 * 9Р-2.

При подальшій розробці блоку управління, врахувати, що плата управління є окремим функціональним блоком загальної системи управління.

Плата управління вставляється в загальний блок по напрямних (з точним суміщенням роз'ємів).

Конденсатори К71-7-0.5мкФ після пайки «приклеюються» до плати.

Всі елементи припаюються припоєм ПОС61 ГОСТ21930-76.

Після пайки плата покривається лаком.

Висновок

У даному курсовому проекті була розроблена система управління швидкістю електроприводу з асинхронним двигуном і імпульсно-ключовим регулятором у ланцюзі ротора додаткового опору. В якості структури була обрана адаптивна система з еталонною моделлю з П - регулятором в контурі швидкості. Внутрішній контур струму для кращої відпрацювання обурює впливу налаштований на технічний оптимум. Наведено результати моделювання, що дозволяють зробити висновок про відповідність спроектованої системи технічним завданням.

Також були проведені розрахунок і вибір всіх елементів, що реалізують цю систему. За отриманими результатами ми склали принципову електричну схему, і запропонували один з варіантів розташування елементів на друкованій платі.

Список використаної літератури

1. Копилов І.П. «Довідник по електричним машинам» М. 1988.

2. Єлісєєв В.А. «Довідник з автоматизованого електроприводу» М.1983.

3. Шурко В.М. «Основи автоматизації виробництва та промислові роботи» М. 1989.

4. Усатенко С.Т. «Виконання електричних схем по ЕСКД» М.1983.