Моталка стана 1700

Векторный принцип основан на принудительной взаимной ориентации векторов потокосцеплений и токов двигателя в полярной или декартовой системе координат в соответствии с заданным законом регулирования. В замкнутых системах векторного управления по цепям обратных связей наряду с абсолютными значениями регулируемых переменных поступает информация о текущем пространственном положении их векторов. За счет регулирования модулей переменных и углов между их векторами обеспечивается полное управление двигателем как в статике, так и в динамике, обеспечивая тем самым заметное улучшение качества переходных процессов по сравнению со скалярным управлением.

В связи с тем, что к проектируемому электроприводу клети прокатного стана предъявляются весьма жесткие требования по обеспечению качественных переходных процессов во всех режимах работы, система управления приводным синхронным электродвигателем должна быть организована по векторному принципу регулирования.

Информация о текущих значениях модуля и пространственного положения векторов переменных СД может быть получена как прямым их измерением с помощью соответствующих датчиков, так и косвенно на основе математической модели двигателя. Конфигурация и сложность такой модели определяются техническими требованиями к электроприводу. При сложности вычислительных операций и алгоритмов управления электроприводом достоинство систем с косвенным регулированием - в простоте технических решений и, соответственно, в практической надежности. Поэтому в современных и наиболее совершенных частотно-регулируемых электроприводах, где системы программного управления реализованы на основе микропроцессорной техники, информация о векторах потокосцеплений электрической машины получается косвенным путем на основе ее математических моделей.

Вариант частотно-токового векторного управления является наиболее распространенным, поскольку при регулировании тока обеспечивается регулирование момента, независимо от частоты питающего напряжения двигателя, что упрощает схему управления, а также одновременно достаточно просто обеспечивает ограничение перегрева двигателя.

Система векторного управления СД в общем случае должна решать задачи регулирования и стабилизации момента и скорости двигателя. Электромагнитный момент в машине переменного тока можно представить как результат взаимодействия магнитных полей, создаваемых токами, протекающими по обмоткам статора и ротора. Выражение для электромагнитного момента СД в векторной форме имеет следующий вид

,

где p_n - число пар полюсов СД;

- вектор потокосцепления статора;

- вектор тока статора.

Вектор потокосцепления статора может быть записан в следующей форме

,

где - полная индуктивность цепи статора СД;

- индуктивность рассеяния обмотки статора;

- взаимоиндуктивность.

В соответствии с двумя последними выражениями, формирование момента СД возможно за счет воздействий на абсолютные значения векторов потокосцеплений , , , токов , и фазовых сдвигов между ними. От того, какие вектора выбраны в качестве регулируемых будет зависеть принцип построения и техническая реализация системы управления электроприводом. Если воспользоваться выражением

,

то в качестве регулируемых будут выбраны вектора и .

На рис. 5.1, а изображен в разрезе синхронный двигатель с нанесенными на ротор и статор токовыми нагрузками и соответствующими им потокосцеплениями и , которые изображены в виде пространственных векторов. Здесь же нанесена система прямоугольных координат, жестко связанная с ротором (оси d и q). Причем одна из осей (ось d) направлена вдоль оси катушки ротора, а другая (ось q) - поперек. Когда на трехфазную обмотку статора подано трехфазное напряжение, токи проводников обмотки статора создают вращающееся магнитное поле, которое увлекает за собой ротор.

На рис. 5.1, б изображена упрощенная векторная диаграмма, построенная в предположении, что в двигателе нет потоков рассеяния и отсутствует падение напряжения в цепи обмоток статора. Вектор результирующего потокосцепления двигателя (потокосцепления в воздушном зазоре) равен геометрической сумме составляющих и . Составляющая направлена по оси d. Направление и величина вектора определяются мгновенными значениями токов фазных обмоток статора. В основу векторного принципа регулирования положено известное из теории электрических машин выражение для электромагнитного момента

,

где k = 0,5 m / L - коэффициент пропорциональности;

m - число фаз двигателя;

L - индуктивность тока намагничивания.

Если сопоставить это выражение с векторной диаграммой потокосцеплений в электрической машине (рис. 5.1, б), то площадь S, ограниченная векторами-слагаемыми и и вектором-суммой (площадь моментного треугольника в электрической машине), пропорциональна величине электромагнитного момента, т.е.

.

Таким образом, с учетом сказанного можно так сформулировать первое правило векторного регулирования электромагнитного момента: чтобы косвенным способом регулировать величину электромагнитного момента в электрической машине, достаточно каким-либо способом изменить площадь моментного треугольника, т.е. векторного треугольника, соответствующего выражению

.

В регулируемом электроприводе переменного тока наблюдается избыточность управляющих воздействий, поэтому одно и то же значение момента и скорости электродвигателя, требуемое по условиям ведения технологического процесса, может быть реализовано при разных электромагнитных состояниях электродвигателя, соответствующих моментным треугольникам различной формы.

Вообще, оптимизация режимов работы электропривода должна производиться на основе технико-экономического критерия, в котором должны учитываться массогабаритные и стоимостные показатели электропривода, суммарные потери в электродвигателе и преобразователе частоты, потребление реактивной мощности от питающей сети. Но вследствие неоднозначности возможных режимов электропривода, недостаточности исходной информации приходится отказываться от реализации строго оптимальных режимов, а отдавать предпочтение режимам более простым. Причем, последние по своим технико-экономическим показателям часто оказываются несущественно хуже оптимальных.

В синхронных частотно-регулируемых электроприводах требования оптимального использования габаритной мощности СД (и установленной мощности НПЧ) приводят к необходимости выполнения следующих условий:

- обеспечение работы СД с номинальным потокосцеплением статора во всем диапазоне изменения нагрузок и регулирования скорости (за исключением режима ослабления поля при двухзонном регулировании);

- обеспечение работы СД с коэффициентом мощности, равным или близким единице.

На векторной диаграмме первое условие означает выполнение неравенства

Ф < Фн,

где Фн - величина номинального потока электродвигателя.

Этим условием исключается режим насыщения магнитной системы электродвигателя.

Коэффициент мощности на зажимах статора электродвигателя равен единице, если угол между векторами Iс и Uc равен нулю. Это будет выполняться, если угол между векторами и прямой.

В зависимости от конкретных условий можно принять и обосновать другие законы возможного управления электромагнитными координатами электродвигателя, которым соответствуют иные требования к форме его векторной диаграммы.

Исходя из сказанного, можно сформулировать второе правило векторного регулирования электромагнитного момента: чтобы при регулировании момента электродвигателя добиться оптимальных режимов работы электропривода, необходимо в соответствии с выбранными критериями оптимизации соблюдать (с помощью системы регулирования) определенную форму моментного треугольника этого электродвигателя.

5.2 Синхронный двигатель как элемент системы автоматического регулирования

Базой для анализа синхронного двигателя как объекта регулирования является аналитическая теория синхронной машины и элементы теории обобщенной электрической машины. Для анализа электрических машин, симметричных в магнитном отношении (АД, синхронные неявнополюсные машины) может быть рассмотрена обобщенная машина, которая представляет собой двухфазную машину, имеющую по две обмотки на статоре и роторе, расположенные в ортогональных осях. Оси статора б- неподвижны, оси ротора d-q вращаются со скоростью .

Дифференциальные уравнения контуров обобщенной машины записываются следующим образом

где - напряжение, прикладываемое к обмотке статора;

- напряжение, прикладываемое к обмотке ротора;

- потокосцепление обмоток статора и ротора;

- токи контуров статора и ротора;

- активные сопротивления ротора и статора.

Так как данные уравнения напряжений контуров машины являются дифференциальными уравнениями с переменными коэффициентами, то это практически исключает их использование для построения структурных схем электродвигателей как объектов регулирования.

Поэтому есть необходимость перейти к нелинейным дифференциальным уравнениям с постоянными коэффициентами. Для этой цели применяются линейные преобразования, которые заключаются в преобразовании исходных уравнений к другим координатам, т.е. в изменении координат отсчета переменных при условии обеспечения инвариантности мощности. Линейным преобразованиям подвергаются все переменные машины (u, i, ). На рисунке 5.2.1 изображены векторные диаграммы обобщенной машины для прямого преобразования координат.

Прямые преобразования координат от осей б-в, d-q к осям x-y, вращающихся с произвольной скоростью , осуществляются в соответствии с векторными диаграммами на рисунке 5.2.1 по следующим соотношениям

где - координатный угол между осями б-x;

- угол между осью d и осью б.

В синхронной машине целесообразно рассматривать систему координат, вращающуюся вместе с ротором (ось х при этом совмещают с осью б). Это так называемая система осей d-q (рис. 5.2.2).

В системе координат d-q выражения для потокосцеплений не содержат переменных индуктивностей, а дифференциальные уравнения напряжений при неизменной частоте вращения машины имеют постоянные коэффициенты, что существенно облегчает исследование динамики привода.

Преобразование к осям d-q является практически единственным, приводящим дифференциальные уравнения синхронной машины с периодическими коэффициентами к уравнениям с постоянными коэффициентами. Поэтому в теории синхронной машины преобразование к осям d-q имеет фундаментальное значение.

Преобразование к осям d-q производится в соответствии с уравнениями:



Аналогичные выражения можно записать для токов и потокосцеплений по осям d и q.

Напряжения u_d и u_q называют, соответственно, продольным и поперечным напряжением статора. Угол определяется угловым положением ротора относительно результирующего вращающегося потока статора и, по сути, является углом нагрузки синхронной машины. В переходных процессах этот угол изменяется с изменением скорости вращения двигателя.

Построение структурной схемы осуществляется в соответствии со следующими уравнениями.

Уравнения равновесия напряжений статора

Потокосцепления статора



где i_f - ток обмотки возбуждения;

L_AA, L_AВ, L_AС, L_ВA, L_ВВ, L_ВС, L_СA, L_СВ, L_СС - индуктивности статора;

L_Af, L_Вf, L_Сf - взаимные индуктивности фаз статора и обмотки возбуждения.

Потокосцепление обмотки возбуждения

,

где L_ff - собственная индуктивность обмотки возбуждения.

где M_f - максимальное значение взаимной индукции.

Преобразование токов статора к осям d-q осуществляется в соответствии с выражениями



где i₀ - ток нулевой последовательности.

Система уравнений в результате преобразований примет следующий вид

Аналогично выражения для потокосцеплений примут вид

где , , ;

, - средние значения собственной индуктивности фазы статора и взаимной индуктивности между двумя фазами статора.

Потокосцепление ротора

.

Напряжение обмотки ротора

.

Электромагнитный момент синхронного двигателя в осях d-q

.

Уравнение движения привода

.

Приведенные уравнения образуют полную систему уравнений синхронного двигателя. Преобразовав ее к виду удобному для синтеза САР, получим следующие выражения.

,

где , , .

,

где , , .

Потокосцепление статора по продольной оси

.

Операторным и алгебраическим уравнениям соответствует структурная схема СД, приведенная на рисунке 5.2.3. Анализ показывает, что СД представляет собой нелинейный многосвязный объект с наличием внутренних перекрестных обратных связей. В частности, в контурах токов статора имеются внутренние обратные связи по ЭДС вращения и , которые определяют взаимное влияние продольных и поперечных контуров машины.

Рисунок 5.2.3 - Структурная схема синхронного двигателя в системе отсчета, ориентированной по ротору

5.3 Расчет переходных процессов

Расчет переходных процессов будем производить по готовой структурной схеме синхронного двигателя, входящей в пакет Mathlab. Упрощенный вид структурной схемы изображен на рисунке 5.3.1. Получившиеся переходные процессы представлены на рисунке 5.3.2.

Рисунок 5.3.2. Переходные процессы электромагнитного момента и скорости в системе электропривода

Заключение

В результате выполнения курсового проекта был спроектирован электропривод моталки двухклетевого реверсивного стана холодной прокатки. На основании технологии были сформулированы основные требования к электроприводу. В качестве приводного двигателя был выбран синхронный электродвигатель типа 1DQ4246-6BA02-Z с водяным охлаждением.

Синхронные двигатели в качестве более надежны по сравнению с асинхронными. Это обусловливается значительно большим (в 3ч4 раза) воздушным зазором между статором и ротором, а также низким напряжением в роторе двигателя. К.П.Д. синхронного двигателя на 0,5ч3% выше, чем у асинхронных двигателей той же мощности. По сравнению с двигателями постоянного тока синхронные двигатели не имеют ограничений по мощности, перегрузочной способности и скорости нарастания тока.

На основании технических условий и номинальных данных приводного двигателя был произведён выбор преобразователя частоты с непосредственной связью типа 6QC6301-2SP13 с цифровой системой управления на основе специализированного программируемого микроконтроллера SIMOVERT D, входящего в состав преобразователя частоты. Рассмотрены защиты от аварийных режимов работы электропривода. Произведено построение структурной и функциональной схем системы автоматического регулирования. СД.

Список использованных источников

1. Бычков В.П. Электропривод и автоматизация металлургического производства: Учеб пособие для вузов. - 2-е изд. - М: «Высшая школа», 1977.

2. Зеленов А.Б. и др. Электропривод механизмов прокатных станов - Харьков, 1963.

3. Бернштейн А.Я., Гусяцкий Ю.М., Кудрявцев А.В., Сарбатов Р.С. Тиристорные преобразователи частоты в электроприводе. - М.: «Энергия», 1980.

4. Жемеров Г.Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью. - М.: «Энергия», 1977.

5. Усынин Ю.С. Системы управления электроприводов: Учеб. Пособие. - 2-е изд.-Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. - 328 с.

6. Электротехнический справочник в 4 т. Т. 4. Использование электрической энергии / Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. - М.: Издательство МЭИ, 2002.

7. Вейнгер А.М. Регулируемый синхронный электропривод. - М.: «Энергоатомиздат», 1985.

8. Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода. - М.: «Энергоатомиздат», 1987.

9. Оглоблин А.Я., Сыромятников В.Я. Структурные схемы двигателей переменного тока. - Магнитогорск: МГТУ, 2003.

10. Косматов В.И. Проектирование электроприводов металлургического производства. - Магнитогорск: МГТУ, 2002 г.

11. Осипов О.И. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод: Учеб. пособие. - М., 2002.

12. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в Mathlab 6.0: Учебное пособие. - СПб. 2001

Размещено на Allbest.ru