Автоматизация электропривода буровой установки

Динамические процессы синхронного электропривода описываются следующей системой уравнений:

Структурная схема электромеханической системы с двигателем имеет вид



Структурная схема линеаризованного электропривода.

Для анализа свойств электропривода с линейной механической характеристикой как объекта автоматического управления найдем передаточную функцию системы по управляющему воздействию:

.

Из рисунка можно записать:

или

или

или

.

Отсюда

где

- электромеханическая постоянная времени.

Передаточная функция по возмущающему воздействию - моменту статической нагрузки МС, имеет вид:

Характеристическое уравнение системы:

.

Корни этого уравнения:

,

где

.

Значение m определяет колебательность разомкнутой электромеханической системы.

Если m > 4, то p1= -б1; p2 = -б2.

Поэтому в этом случае:

; ;

Следовательно, при m > 4 рассматриваемый электропривод может быть представлен в виде последовательного соединения инерционных звеньев с постоянными времени Т1 и Т2.

При m = 4 характеристическое уравнение системы имеет два равных отрицательных корня . В этом случае:

где

При m<4 характеристическое уравнение имеет комплексно-сопряженные корни и электропривод представляет собой колебательное звено с коэффициентом затухания о меньшим или равным 1, уменьшающимся по мере уменьшения m.

В этом случае можно записать:

; ;.

Анализ частотных характеристик двигателей мощностью выше 10кВт показал, что передаточную функцию по управляющему воздействию можно представить в виде:

т.е. заменить колебательное звено двумя апериодическими с постоянной .

Для многих электроприводов малой мощности m>4, при этом можно пренебречь электромагнитной инерцией, положив Тэ»0, тогда структурная схема асинхронного электропривода с линеаризованной механической характеристикой будет иметь вид:

Структурная схема асинхронного электропривода с линеаризованной механической характеристикой и .

Из рисунка после элементарных преобразований:

;;
;
;
;

получаем:

Полученное уравнение позволяет структурную схему асинхронной машины с линеаризованной механической характеристикой представить в виде (рис. 7.4):

Преобразованная структурная схема асинхронной машины с линеаризованной механической характеристикой.

Из преобразованной структурной схемы видно, что при Тэ»0 электропривод с линейной механической характеристикой приближенно можно представить в виде инерционного звена с постоянной времени Тм.

Переходную и весовую функции инерционного звена можно представить в виде:

По уравнениям на рисунке построены временные характеристики электропривода при .

а) б)

Временные характеристики электропривода

Из полученных временных характеристик можно сделать вывод: электромеханическая постоянная времени Тм представляет собой время, за которое электропривод достиг бы установившейся скорости, двигаясь равномерно ускоренно под действием постоянного динамического момента, равного начальному значению:

В системе предусматривается регулирование скорости вращения якоря двигателя щМ путём изменения напряжения питания U. Ток возбуждения, а, следовательно, и магнитный поток двигателя полагается неизменным и равным номинальному Фн.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Принципиальная схема двигателя

На принципиальной схеме:

rв, Lв - соответственно активное сопротивление и индуктивность обмотки LМ1 двигателя;

rяг, Lяг - соответственно общие активное сопротивление и индуктивность обмоток LМ2 и LМ3 двигателя.

Уравнение движения двигателя под нагрузкой и уравнение цепи якоря:

В выражениях (1.15), (1.16) для двигателя:

После перехода к символической форме записи и соответствующих преобразований получим систему уравнений в виде:

С учётом того, что уравнение цепи якоря генератора под нагрузкой

уравнение примет вид:

На основании уравнений структурную схему двигателя можно представить как приведено ниже.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структурная схема двигателя

В соответствии со структурной схемой запишем передаточную функцию двигателя постоянного тока:

Определим численные параметры передаточной функции двигателя.

Эквивалентная электромагнитная Тэ и электромеханическая Тм постоянные времени:

где:

где индекс г относится к генератору, а индекс д - к двигателю.

- сопротивление щеток генератора, Ом;

- сопротивление щеток двигателя, Ом;

- коэффициент передачи двигателя

wнг = 2рnг/60 = 6.28*1000/60 = 104,7 рад/c- номинальная угловая частота вращения генератора;

wнд = 2рnд/60 = 6.28*400/60 = 41,86 рад/c- номинальная угловая частота вращения двигателя;

Uнг = 460 (В) - номинальное напряжение для генератора;

Iнг = 652 (А) - номинальный ток для генератора;

Pг = 2 - число пар полюсов

Pд = 2 - число пар полюсов

Uнд = 440 (В) - номинальное напряжение для двигателя;

Iнд = 398 (А ) - номинальный ток для двигателя;

- сопротивление соответственно обмотки якоря, компенсационной обмотки, обмотки добавочных полюсов для генератора при температуре 20°С;

- сопротивление соответственно обмотки якоря, компенсационной обмотки, обмотки добавочных полюсов для двигателя при температуре 20°С;

1,32 - коэффициент приведения сопротивлений обмоток к температуре 75°С;

J = 37,5 - момент инерции двигателя.

Подставляем эти значения :

Вычислим номинальную ЭДС:

Пусковые свойства асинхронных двигателей характеризуются начальным пусковым и максимальным моментом и начальным пусковым током. Расчет пусковых характеристик затруднен необходимостью учета измерений параметров вызванных эффектом вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния, т.к. при больших скольжениях токи могут превышать свое минимальное значение в 7-7,5 раз.

Рассчитываем точки характеристик, соответствующие скольжениям .

Расчет проводится по формулам таблицы в целях определения токов в пусковых режимах для дальнейшего учета влияния насыщения от полей рассеяния расчет пусковых характеристик производится аналогично, включая последние пункты формуляра. Подробный расчет приведен для . Данные расчета остальных точек сведены в таблице.

Активное сопротивление обмотки ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока ; ; - ширина стержня, - ширина паза,; в роторах с литой обмоткой [Л-1];

По рисунку паза ротора

- высота стержня в пазу

По рисунку 9.57 для находим

Площадь сечения стержня

где

из п. 3.4.10. расчета

Коэффициент общего увеличения сопротивления фазы ротора под влиянием вытеснения тока.

по п. 3.6.2. расчета ;



Приведенное сопротивление ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока.

Индуктивное сопротивление обмотки ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока по рисунку 9.58 для (см. п. 3.9.1. расчета) ; по таблице 9.27 рисунок 9.52 а,ж (см. п. 3.6.4. расчета) [Л-1].

- коэффициент изменения индуктивного сопротивления фазы обмотки ротора от действия эффекта вытеснения тока.

- коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния с учетом эффекта вытеснения тока.

- индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учетом вытеснения тока.

Пусковые параметры

Сопротивление взаимной индукции обмоток в пусковом режиме.

Расчет токов с учетом влияния эффекта вытеснения тока для

ток в обмотке ротора

ток в обмотке статора

3.12 Расчет энергетических показателей

Расчет проводим для точек характеристик, соответствующих при этом используем значения токов и сопротивлений для тех же скольжений с учетом влияния вытеснения тока (см. таблицу 3.2).

Данные расчета сведены в таблице 3.3. Подробный расчет приведен для .

Индуктивное сопротивление обмоток. Принимаем

- коэффициент, учитывающий уменьшение МДС паза вызванное укорочением шага обмотки.

- коэффициент укорочения шага обмотки.

- число эффективных проводников в пазу статора.

- число эффективных проводников в пазу статора.

- фиктивная индукция потока рассеяния в воздушном зазоре.

коэффициент

По рисунку 9.61 для находим

- отношение потока рассеяния при насыщении к потоку рассеяния насыщенной машины.

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора с учетом влияния насыщения.

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора с учетом влияния насыщения.

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора с учетом влияния насыщения.

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки ротора с учетом влияния насыщения и вытеснения тока.

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора с учетом влияния насыщения.

Приведенное индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учетом влияния насыщения.

Расчет токов и моментов.

Кратность пускового тока с учетом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения.

Кратность пускового момента с учетом влияния вытеснения тока и насыщения.

Полученный в расчете коэффициент насыщения.

отличается от принятого менее чем на 1%

Для расчета других точек характеристики задаемся , уменьшенным в зависимости от тока .

Принимаем

Данные расчета приведены в приложении 3. А пусковые характеристики представлены в приложении 5.

Критическое скольжение определяем после расчета всех пусковых характеристик по средним значениям сопротивлений и , соответствующим скольжениям .

После этого рассчитываем кратность максимального момента .

С увеличением частоты тока в стержнях обмотки короткозамкнутого ротора возникает эффект вытеснения тока, в результате которого плотность тока в верхней части стержней возрастает, а в нижней уменьшается, при этом активное сопротивление ротора увеличивается, а индуктивное уменьшается. Изменение сопротивлений ротора влияет на пусковые характеристики машины, увеличивается начальный момент двигателя.

В большинстве случаев эффект вытеснения тока в обмотках короткозамкнутых роторов играет положительную роль, так как увеличивает начальные моменты двигателей. Однако неравномерное распределение плотности тока по сечению стержня ротора может привести и к нежелательным последствиям. Например, при неудачно выбранных размерах соотношениях стержней чрезмерно возрастающая в пусковых режимах плотность тока в их верхних участках может вызвать неравномерное тепловое удлинение стержней и их изгиб. При этом стержни разрывают усики пазов и выгибают в воздушный зазор, что неизбежно приводит к выходу двигателя из строя.

Коронки зубцов статора и ротора в машинах средней и большой мощности в большинстве случаев оказываются сильно насыщенными.

Насыщение коронок зубцов приводит к увеличению магнитного сопротивления для части потока рассеяния, магнитные линии которого замыкаются через верхнюю часть паза. Поэтому коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния уменьшается. Несколько снижается также магнитная проводимость дифференциального рассеяния. На коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния насыщение стали потоками рассеяния влияния не оказывает.

Приближенно считают, что оба явление - вытеснение тока в проводниках ротора и насыщение его зубцов - взаимно не связаны.

Спроектированный асинхронный двигатель удовлетворяет требованиям ГОСТ как по энергетическим показателям (и ), так и по пусковым характеристикам.

Тепло выделяемое при работе машины, нагревает отдельные части электрической машины, повышая их температуру. Чрезмерное повышение температуры может вызвать снижение электрической и механической прочности изоляции обмоток. Для повышения надежности двигателя снижают (в некоторых случаях) допустимое превышение температуры.

Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя.

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя.

Перепад температуры в изоляции лобовой части обмотки статора

Среднее повышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри машины.

Эквивалентная поверхность охлаждения

средняя поверхность периметра поперечного сечения ребер корпуса АД для

Сумма потерь, отводимых в воздух внутри двигателя.

Среднее превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой окружающей среды.

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды.

Вентиляционный расчет асинхронного двигателя выполнен приближенным методом. Метод заключается в сопоставлении расхода воздуха, необходимого для охлаждения двигателя и расхода, который может быть получен при данной конструкции двигателя.

Требуемый расход воздуха для охлаждения.

- коэффициент, учитывающий изменение условий охлаждения по длине поверхности корпус, обдуваемого наружным вентилятором.

- коэффициент, для при .

- частота вращения двигателя.

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором.

Расход воздуха должен быть больше требуемого для охлаждения машины .

Что соответствует требованию.



4. Разработка принципиальной схемы управления электроприводом

Разработанная принципиальная электрическая схема управления пуском асинхронного двигателя с фазным ротором функции тока представлена на рис. 4.1

Рис. 4.1 Принципиальная реверсивная схема управления асинхронным двигателем с фазным ротором и командоаппаратом.

На рисунке 4.1 приведена принципиальная электрическая схема управления АД с фазным ротором и командоаппаратом. Схема предусматривает как автоматическое, так и ручное управление. Схема управления АД с фазным ротором включает АД с фазным ротором, разъединители: в силовой цепи QS1, в цепи управления QS2, командоаппарат SA, реле дуговой блокировки KU2, реле напряжения KU1, линейные контакторы КМ1, КМ2, контакторы ускорения КМ3-КМ7, реле максимального тока FA1, FA2, реле тока управления КА3-КА7, тепловые реле FR1, FR2, предохранители FU1, FU2.

При подготовке схемы к работе включаются разъединители QS1 в главной цепи и QS2 в цепи управления. При этом в главной цепи ничего не происходит. В цепи управления рукоятка командоаппарата устанавливается в нулевую позицию. При этом замыкается контакт SA-0, и ток, протекающий по цепи: QS2-FU1-SA-0-KA1-KA2-FR1-FR2-KU1-FU2-QS2, вызывает срабатывание реле напряжения KU1 и замыкание контакта KU1, шунтирующего контакт командоаппарата SA-0. На этом подготовка схемы к работе завершается.



5.Эксперементальная часть

5.1 Анализ кинетического привода

Задача построения высококачественного торцевого асинхронного электропривода с векторным управлением без использования каких-либо датчиков, пристроенных к валу или встроенных в двигатель, постоянно привлекает внимание разработчиков с момента появления самого термина «векторное управление» применительно к торцевому асинхронному электродвигателю в начале 1970-х годов. Область применения таких электроприводов определяется следующими условиями:

1) Механизм предъявляет повышенные требования к быстродействию электропривода.

2) В электроприводе требуется регулирование электромагнитного момента на валу двигателя.

3) Не требуется высокая статическая точность и широкий диапазон регулирования скорости (диапазон не более 100).

4) Установка датчика скорости на вал двигателя невозможна по условиям эксплуатации, технологическим, стоимостным или прочим ограничениям. Типичными объектами являются электроприводы подъемно-транспортных средств, механизмов намотки, экструдеров, дробилок, работающих в пожароопасных, взрывоопасных, химически и радиоактивных средах, в условиях повышенных вибраций и ударных механических нагрузок.

В настоящее время бездатчиковые торцевые асинхронные электроприводы с векторным управлением представлены практически всеми ведущими фирмами, производителями преобразователей частоты. При этом характеристики большинства этих электроприводов оказываются весьма скромными. В частности, полоса пропускания контура скорости, как правило, не превышает 5-7 Гц, а общий диапазон регулирования скорости (вверх и вниз от номинальной) не более 20-100, что вполне достижимо и в системе частотного управления с векторной ориентацией переменных в установившихся режимах работы . Большинство же производителей преобразователей частоты вообще не заявляют в технической документации полосу пропускания и диапазон регулирования скорости. В этом случае получить подобную информацию удается только в результате проведения стендовых испытаний.

Таким образом, если рассматривать указанные характеристики регулирования скорости, то практически «стирается грань» между бездатчиковыми электроприводами с частотным и векторным управлением. Исследования, выполненные в данной дипломной работе, показали, что характеристики торцевых асинхронных векторных электроприводов без датчика скорости могут существенно превышать аналогичные характеристики систем частотного управления. В частности, полоса пропускания контура скорости может составлять более 30 Гц, а в диапазоне регулирования скорости не менее 100 обеспечиваются значительно меньшие статические и динамические ошибки. Однако для достижения таких результатов приходится решить ряд проблем.

Основные проблемы, связанные с построением бездатчикового векторного электропривода, заключаются в следующем:

1) Наблюдатель состояния торцевого асинхронного электродвигателя , построенный на основе решения полной системы уравнений электрического равновесия для статора и ротора по доступной информации о напряжениях и токах статора, способен обеспечить приемлемую точность вычисления потоко-сцепления и скорости только в ограниченном диапазоне частот. Это связано с известной проблемой введения начальных условий при частотах, близких к нулевой. Практически все способы решения данной проблемы связаны с введением определенного отклонения математического описания наблюдателя состояния относительно реального объекта при работе в области малых частот. Эти отклонения проявляются в виде ошибки в вычислении потоко-сцепления, скорости, активной и реактивной составляющих тока.

2) Следующей проблемой является чувствительность электропривода к изменению его параметров в процессе работы. Прежде всего это относится к температурным изменениям активных сопротивлений статора и ротора, а также к изменению взаимной индуктивности в зависимости от тока цепи намагничивания. Одним из подходов к решению данной проблемы в построении векторного регулятора и наблюдателя состояния торцевого АД является применение регуляторов, грубых в отношении параметрических возмущений, в частности, релейных регуляторов, функционирующих в скользящих режимах. Другим подходом является параметрическая адаптация, осуществляемая в реальном времени при работе электропривода.

3) Третьей проблемой является получение необходимой точности оценки эквивалентных (усредненных на интервале расчета процессов в наблюдателе состояния) значений токов и напряжений статора. На точность оценки эквивалентных напряжений в области малых частот основной гармоники и высоких частот модуляции существенно влияет «мертвое время» и задержки переключения ключей инвертора. Заметим, что проблема точности измерения напряжения на малых частотах в гораздо меньшей степени проявляется в векторных электроприводах с датчиком скорости/положения, так как быстродействующий контур скорости, замкнутый по реально измеряемому сигналу, способен в значительной степени компенсировать ошибки, связанные с динамическими «неидеальностями» ключей инвертора. Известные подходы к построению наблюдателей состояния для бездатчикового торцевого асинхронного электропривода достаточно полно представлены. Отличительной особенностью предлагаемого в главе подхода является его относительная простота программной реализации и настройки (большинство контуров наблюдателя и системы управления допускают независимую последовательную настройку). Высокие технические характеристики электропривода достигаются за счет его адаптируемости сразу к трем параметрам электродвигателя, подвергающимся наибольшим изменениям в процессе работы, а именно к активным сопротивлениям статора и ротора и к взаимной индуктивности, а также за счет компенсации задержек переключения силовых ключей преобразователя.

5.2 Структурная схема системы адаптивно-векторного управления электроприводом

Структурная схема системы адаптивно-векторного управления торцевым асинхронным электроприводом приведена на рис. 5.1.

Рисунок 5.1. Структурная схема электропривода

Назначение элементов, математическое описание, структурное построение и принцип действия векторного модулятора, преобразователя напряжений, базовых структур векторного регулятора токов Id, I , регуляторов ЭДС и скорости аналогичны и применительны к системе адаптивно-векторного управления с датчиком скорости/положения (исполнение 2 преобразователей частоты серии ЭПВ). Под базовыми здесь понимаются структуры без учета элементов адаптации.

Векторный регулятор токов включает в себя ПИ-регуляторы составляющих вектора тока статора по осям d и q, ориентированным по оценке углового положения вектора потоко-сцепления ротора, и блок компенсации перекрестных связей.

Преобразователь напряжений включает в себя ограничитель заданного напряжения статора по осям d и q и преобразователь координат: ортогональная система (d, q) - полярная система - естественная трехфазная система (a, b, c), неподвижная относительно статора, и блок компенсации запаздывания системы управления.

Векторный модулятор реализует «треугольный» алгоритм пространственно-векторного формирования выходного напряжения IGBT инвертора с функцией компенсации «мертвого времени» и задержек переключения силовых ключей.

Наблюдатель состояния реализует вычисление всех переменных и параметров электродвигателя, необходимых для реализации алгоритма адаптивно-векторного управления, по информации о двух фазных токах статора и двух заданных значениях фазных напряжений.

Блок адаптации выполняет перерасчет параметров регуляторов системы управления в зависимости от изменения параметров двигателя, проявляющихся в процессе работы электропривода.

5.3 Наблюдатель состояния

Структурная схема наблюдателя состояния приведена на рисунке 5.2. Все вычисленные переменные (оценки) помечены верхним символом . Для вычисления необходимых переменных вводится ортогональная система координат (x, y), вращающаяся синхронно с частотой поля. Ее угловое положение не фиксируется относительно какой-либо переменной или оси электродвигателя и может быть произвольным, то есть «плавающим». Принципиальными факторами являются не угловое положение, а синхронность системы (x, y), которая обеспечивает в установившихся режимах работы двигателя постоянные значения вычисляемых переменных, а также ее относительно высокая инерционность (скорость изменения углового положения должна быть ограничена), что обеспечивает желаемую степень устойчивости цифровых вычислительных алгоритмов. В качестве частоты вращения системы координат (x, y) могут приниматься переменные, величина которых в установившихся режимах работы равна частоте вращения поля. Это могут быть частоты вращения векторов потоко-сцеплений, отфильтрованные значения частот вращения векторов напряжения или тока статора. В рассматриваемом случае частота вращения системы (x, y) принята равной оценке частоты вращения вектора потокосцепления ротора Угловое положение и частота системы координат на k-интервале расчета переменных наблюдателя вычисляются по выражениям:

(1)

где Т0 -- интервал расчета переменных наблюдателя.

Рисунок 5.2. Структурная схема наблюдателя состояния

Преобразование 1 токов и преобразование 2 напряжений из системы координат (a, b, c) в систему координат (x, y) осуществляются по выражениям:

где Ia, Ib, Uaz, Ubz -- токи и заданные напряжения статора фаз a и b.

Использование для преобразования напряжений углового положения системы координат на предыдущем интервале расчета (цx, k -1) связано с наличием запаздывания в измерении тока по отношению к формированию напряжения. Переход в полярную систему координат, неподвижную относительно статора, дает угловые положения векторов заданного напряжения и тока статора (цuz, цi).

Расчет ЭДС ротора осуществляется на основе цифрового решения уравнений статорной цепи электродвигателя, записанных в системе координат (x, y):

Ux = Rs Ix + уLs (dIx /dt) - уLsщx Iy + Erx ;

Uy = Rs Iy + уLs (dIy/dt) - уLsщx Iy + Ery , (4)

где Erx = (Lm/Lr)(dШrx /dt) - щx (Lm/Lr)Шry; Ery = (Lm/Lr)(dШry/dt) - щx (Lm/Lr)Шrx-- проекции вектора ЭДС ротора в системе координат (x, y); Ш rx, Ш ry -- проекции вектора пото-косцепления ротора в системе координат (x, y); у = 1 - (L2m/LsLr) -- коэффициент рассеяния; Ls, Lr, Lm -- индуктивности статора, ротора, взаимная; Rs -- активное сопротивление статора.

Преобразование Erx, E в полярную систему координат, неподвижную относительно статора, дает оценки модуля и углового положения вектора ЭДС ротора ().

Вычисление модуля первой оценки частоты вращения вектора потоко-сцепления ротора выполняется с учетом предположения, что трансформаторная составляющая ЭДС ротора () пренебрежимо мала в сравнении с ЭДС вращения , по выражению:



(5)

где -- оценка потокосцепления ротора.

Знак частоты вращения вектора потокосцепления ротора вычисляется на основе оригинального алгоритма по информации об угловых положениях векторов заданного напряжения и тока статора, модуле частоты вращения на текущем и предыдущих интервалах расчета и знаке частоты вращения на предыдущем интервале расчета.

Коррекция оценки частоты вращения вектора потокосцепления ротора по фактической мгновенной частоте вращения вектора ЭДС ротора, вычисленной из его углового положения цe, выполняется с целью устранить в оценке частоты ошибку, вызванную структурной и параметрической неадекватностью модели статорной цепи, погрешностями измерительных каналов и приближенным характером вычислений. Коррекция выполняется на основе интегрального регулятора частоты, коэффициент которого устанавливается исходя из желаемого характера движения ошибки.

Оценка углового положения вектора потокосцепления ротора выполняется на основе информации об угловых положениях векторов ЭДС ротора, тока статора и оценок частоты вращения вектора потокосцепления ротора . С учетом пренебрежения малой величиной трансформаторной ЭДС, угловые положения векторов ЭДС и потокосцепления ротора отстоят друг от друга на угол: ±р/2 Знак определяется направлением вращения векторов (знаком частоты). На малых частотах величина ЭДС ротора стремится к нулю, и, следовательно, диапазон вычисления положения вектора ЭДС с заданной точностью ограничен некоторым минимальным значением частоты щШmin. Чтобы обеспечить работоспособность наблюдателя состояния на частотах, меньших щШmin, осуществляется переход от ориентации по вектору ЭДС к ориентации по вектору тока статора. Алгоритм вычислений организован таким образом, что этот переход осуществляется только в режимах малых скольжений, то есть близких к холостому ходу электродвигателя. В этом случае положение вектора тока статора оказывается близким к положению вектора потокосцепления ротора, и переход на ориентацию по току не приводит к большим ошибкам в точности вычисления переменных.

Дополнительная коррекция оценки углового положения вектора потокосцепления ротора выполняется с целью минимизации влияния на точность вычисления переменных электродвигателя ошибок, вызываемых следующими факторами:

Малыми динамическими отклонениями разности угловых положений векторов ЭДС и потокосцепления ротора от величины ±р/2

Динамическими ошибками вычисления вектора ЭДС ротора.

Наличием скачков в оценке положения вектора потокосцепления, вызванных изменением структуры наблюдателя состояния в области малых частот при переходе с ориентации по вектору ЭДС к ориентации по вектору тока.

Коррекция выполняется на основе П-регулятора положения. Параметры регулятора выбираются исходя из желаемого характера движения ошибки между нескорректированным и скорректированным значениями углового положения вектора потокосцепления ротора. Коррекция угла выполняется с использованием алгоритма безинерционного устранения ошибок, превышающих определенное пороговое значение. Это делается для устранения возможности накопления больших погрешностей в вычислении угла потокосцепления при переходных процессах «в большом» (когда регулятор скорости переходит из линейной области в ограничение, в частности, при пусках, торможениях и реверсе с номинальной частоты вращения).

Преобразование трех токов статора из системы координат (a, b, c) в ортогональную систему координат (d, q), ориентированную по оценке углового положения вектора потокосцепления ротора, осуществляется по выражениям:

(6)

Для выделения параметров электродвигателя, к изменениям которых электропривод оказывается наиболее чувствительным, а именно взаимной индуктивности, активных сопротивлений статора и ротора, используется сигнал невязки дщ. Этот сигнал определяет разницу между скорректированным значением частоты вращения вектора потокосцепления ротора и ее первой оценкой . В качестве исходных значений вычисляемых параметров (Lm0, Rs 0, Rr 0) используются значения, определенные в результате выполнения процедуры автонастройки электропривода [3] или введенные пользователем на основе паспортных данных двигателя. Так как невязка одна, а оцениваемых параметров три, то для обеспечения сходимости оценок к истинным значениям параметров алгоритмы вычисления оценок разнесены во времени и в зависимости от режима работы электропривода (уровня частоты и нагрузки). С этой целью в блок оценки параметров вводится дополнительная информация о пределах функционирования алгоритмов оценки (щmaxR, щminR, щmaxL, щminL, IminR ) и переменные, характеризующие величину частоты и нагрузки. Для оценки Rs использован интегральный регулятор, для оценки Lm -- пропорционально-интегральный. Настройки регуляторов произведены таким образом, чтобы обеспечить желаемый характер движения ошибок оценки параметров. Оценка температурного изменения Rr выполняется косвенным образом по оценке температурного изменения активного сопротивления статора.

5.4 Анализ чувствительности электропривода к изменению параметров электродвигателя и задержкам переключения инвертора

Анализ чувствительности выполнялся в отношении электромагнитных параметров двигателя, наиболее подверженных изменению в процессе работы электропривода. К таким параметрам относятся активные сопротивления фаз статора и ротора, подверженные температурным изменениям, и взаимная индуктивность, изменяющаяся в связи с эффектом насыщения магнитной системы электродвигателя потоком взаимоиндукции. Для анализа использовалась математическая модель электропривода с базовой структурой системы бездатчикового векторного управления.

На рисунке 6.3 показано влияние отклонений Rs, Lm, Rr на погрешность вычисления скорости и углового положения вектора потокосцепления ротора для электропривода с электродвигателем 4ТА112МА6У3. На рис.4.4 для того же электродвигателя показано влияние отклонений в активном сопротивлении статора на динамические процессы отработки ступенчатого изменения сигнала задания по скорости.

Рисунок 5.3. Графики ошибок в ориентации системы управления и вычисленной скорости при вариации параметров электродвигателя, уровня скорости и нагрузки: а) Rs = 1,5R' s ; _-- Mc = Mnom, * -- Mc = 0; б) L? m = 0,9Lm; _! щr = (0,05-0,9)щnom , * -- щr = 1,2щnom ; в) Rr = 1,5R' r , щr = (0,05-0,9)щnom

Рисунок 5.4 Временные диаграммы скорости в режиме ступенчатого сброса

Анализ представленных диаграмм и других результатов исследования чувствительности позволяет сделать следующие выводы:

Наиболее чувствителен электропривод к изменению активного сопротивления статора, которое ощутимо воздействует как на статические, так и динамические характеристики. Чувствительность к изменению Rs является функцией скорости и нагрузки. Наиболее сильному влиянию подвержены характеристики электропривода в области малых частот (менее 0,2щnom), вплоть до потери работоспособности, проявляющейся в возникновении автоколебательного режима работы с большими пульсациями переменных. В частности, при электропривод с торцевым асинхронным электродвигателем утрачивает работоспособность на скоростях, меньших 0,05щnom.

Изменение активного сопротивления ротора влияет на статическую ошибку в скорости и не влияет на точность ориентации системы по вектору потокосцепления ротора и на динамические характеристики электропривода. Статическая ошибка в скорости является функцией нагрузки и не зависит от уровня скорости.

Изменение взаимной индуктивности незначительно сказывается на ориентации и динамических характеристиках электропривода при работе на скоростях, меньших номинальной. Статическая ошибка в скорости возрастает с ростом нагрузки и при работе с постоянным потокосцеплением ротора не зависит от уровня скорости. В частности, при электропривод с торцевым асинхронным электродвигателем не разгоняется выше 1,3щnom.

Изменение индуктивностей рассеяния в связи с насыщением зубцовой зоны двигателя потоками рассеяния заметным образом проявляется при кратностях тока статора, превышающих (2-3) от номинального значения и, как правило, не превышает 30%-ного снижения относительно своего ненасыщенного значения, даже при токах прямого пуска двигателей на номинальное напряжение [14]. Результаты моделирования и эксперимента показали, что 50%-ные измененияLs не оказывают существенного влияния на характеристики электропривода.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследования чувствительности электропривода к величине «мертвой зоны» переключения транзисторов инвертора показали, что в случае корректной параметрической настройки электропривода именно наличие «мертвой зоны» является фактором, ограничивающим диапазон регулирования электропривода вниз от номинальной скорости. Величина этих пульсаций возрастает с увеличением частоты модуляции и величины «мертвой зоны». Причина пульсаций заключается в отклонении реального напряжения статора от его заданного значения, сформированного без учета временных задержек переключения ключей инвертора. Так как расчет переменных электропривода выполняется на основе заданного напряжения статора, то эта ошибка проявляется во всех вычисленных переменных.

Введение в электропривод алгоритмов адаптации к Rs, Lm, Rr и компенсации задержек переключения ключей инвертора позволяет существенно улучшить его характеристики, а именно: снизить чувствительность к изменению параметров в процессе работы, расширить диапазон регулирования скорости как вниз, так и вверх от номинальной, снизить уровень пульсаций переменных на малых скоростях.

5.5 Описание стенда для проведения испытаний

Исследования проводились на лабораторном стенде, включающем преобразователь частоты ЭПВ-ТТПТ-16-380-4АО, взрывозащищенный асинхронный двигатель (Pnom = 3 кВт, Nnom = 1000 об/мин, Inom = 7,4 А, Mnom = 30 Н*м), нагрузочный агрегат, выполненный на основе электропривода FANUC DC SERVOMOTOR SYSTEM с электродвигателем 30М (Nnom = 1200 об/мин, Mnom = 37 Н*м, Inom = 24 А), компьютерный осциллограф PCS500А, персональный компьютер. На рис. 6.5 представлены динамические процессы, полученные в режимах пуска и реверса электропривода без нагрузки при следующих параметрах системы управления: постоянные времени контуров тока -- 2 мс; постоянные времени контуров скорости и ЭДС -- 4 мс; предельное значение электромагнитного момента: а) 2,9 Mnom, б) 2 Mnom. Настройка параметров системы управления на параметры торцевого асинхронного электродвигателя произведена в автоматическом режиме.

Рисунок 5.5 Динамические процессы в режиме реверса и пуска двигателя

На рис.6 6 представлены временные диаграммы скорости, тока фазы статора Ia, тока якоря I Я нагрузочного двигателя в режиме ступенчатого наброса нагрузки с холостого хода (M = Mxx ) до номинального момента (M=Mnom). В скорости и фазном токе отчетливо видны 6-пульсные искажения, связанные с неполной компенсацией задержек инвертора напряжения. С ростом нагрузки величина этих искажений снижается, так как с увеличением амплитуды заданного напряжения статора повышается точность его отработки.

Рисунок 5.6. Процессы в режиме ступенчатого наброса номинального момента нагрузки на скорости щr = 0,05щnom

В процессе испытаний электропривода были получены следующие характеристики: предельное значение полосы пропускания, на которую может быть настроен контур скорости, -- не менее 30 Гц; диапазон регулирования скорости -- не менее 50 вниз от номинальной и не менее 2 вверх от номинальной; коэффициент неравномерности на минимальной скорости -- не более 0,25; статическая погрешность на минимальной скорости при изменении нагрузки в пределах (0,2-0,6) Мпот и (0,6-1) Мпот -- не более ±20%. Электропривод может работать как с замкнутым, так и с разомкнутым контуром скорости, то есть осуществлять регулирование момента.

5.6 Экспериментальные исследования

5.6.1Построение электромеханической характеристики в разомкнутой и замкнутой системах электропривода

Переход от структурной схемы в динамике к структурной схеме в статике осуществляется путем замены передаточных функций W(p) и Ц(р) на W(0) и Ф(0).

Уравнение электромеханической характеристики для замкнутой системы:

Для разомкнутой:

Электромеханическую характеристику строим для значений напряжения задатчика равных Uзн и 0,5Uзн. Характеристики строим по трём точкам, при , , , где Ic - номинальное значение тока двигателя.

Номинальное значение напряжения двигателя Uзн определяем из условия, что при напряжении задатчика равном Uзн, скорость вращения двигателя в статике при , равна номинальному значению щн.

В

В

Подставим в выражения (1.41) и (1.42) соответствующие значения:

Электромеханическая характеристика замкнутой и разомкнутой системы

5.6.2 Построение логарифмических частотных характеристик

Передаточная функция разомкнутой системы:

Приняв и преобразуем выражение:

Подставляя s = jщ в, переходим в область комплексной переменной:

Уравнение ЛАЧХ разомкнутой системы получаем таким:

Уравнение ФЧХ разомкнутой системы получаем таким:

дБ - запас по модулю;

? - запас по фазе.

Запасы по модулю и по фазе маленькие, значит качество переходного процесса плохое, система близка к неустойчивому состоянию.

Время регулирования в разомкнутой системе оценим по корням характеристического уравнения.

Характеристическое уравнение разомкнутой системы:

Его корни:

s1,2=-15.24390243902438485519.426258929358527102i

s3=-0.70422535211267605189

s4=-105.26315789473684794

Время переходного процесса определяется как:

,

где з - степень устойчивости (расстояние от доминирующего корня до мнимой оси).

4.261 (с)

5.6.3 Переходные характеристики по задающему и возмущающему воздействию

Переходные характеристики замкнутой системы по управляющему воздействию

статическая ошибка=0,

перерегулирование(А1/hуст)*100%=(0,48/1)*100%=48%

время регулирования=1,05с

Переходные характеристики замкнутой системы по возмущаещему воздействию

статическая ошибка=0,

перерегулирование(А2/А1)*100%=(4,37*10-3/0,0127)*100%= 34%

время регулирования=0,57 9(с)

5.6.4 Сравнение качества регулирования в переходном режиме и статике для замкнутой и разомкнутой системы

Определим по электромеханическим характеристикам статическую ошибку в замкнутой и разомкнутой системе:

Для :

замкнутая система:

разомкнутая система:

Замкнутая система дает меньшую ошибку регулирования, чем разомкнутая.

Для

замкнутая система:

разомкнутая система:

Время регулирования для замкни той системы =0,57 9(с) (Рисунок 1.17).

Время регулирования в разомкнутой системе оценим по корням характеристического уравнения.

Характеристическое уравнение разомкнутой системы:

Его корни:

s1,2=-15.24390243902438485519.426258929358527102i

s3=-0.70422535211267605189

s4=-105.26315789473684794

Время переходного процесса определяется как:

,

где з - степень устойчивости (расстояние от доминирующего корня до мнимой оси).

4.261 (с)

5.6.5 Оптимизация контура регулирования скорости двигателя по модульному оптимуму

Настройка по модульному оптимуму предусматривает компенсацию, с помощью соответствующей настройки ПИ-регулятора, наибольшей постоянной времени объекта регулирования.

Передаточная функция объекта управления:

Передаточная функция регулятора:

Анализ выражения показывает, что наибольшая постоянная времени ТG, следовательно, при настройке регулятора, из условия компенсации, принимают Ти=ТG.

Коэффициент усиления регулятора выбирается из условия ограничения на показатель колебательности М = 1,5.

1) Строим ЛАЧХ объекта регулирования (располагаемая характеристика).

Уравнение ЛАЧХ объекта регулирования:

Вид ЛАЧХ объекта регулирования представлен ниже.

ЛАЧХ объекта регулирования

2) При коэффициенте передачи регулятора КAR=1 строим ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы.

Передаточная функция разомкнутой системы:

Так как Ти=ТG , то выражение можно преобразовать:

Уравнение ЛАЧХ разомкнутой системы:

Уравнение ФЧХ разомкнутой системы:

(2.7)

Вид ЛАЧХ и ФЧХ разомкнутой системы представлен ниже.

3) При заданном М, по графику [3, С.230, рис.4.41] определяем перерегулирование у, затем по графику [3, С.272, рис.5.24] определяем максимум вещественной характеристики замкнутой системы Рmax, а затем по графику [3, С.273, рис.5.25] необходимый запас по фазе Дц:

М = 1,5

у = 0,28

Дц = 42°

4) Определяют коэффициент усиления регулятора, обеспечивающий заданный показатель колебательности.

Найдём частоту щср, при которой

Подставляем это выражение в (2.7) и решим уравнение:

Решая уравнение с помощью программы MathCAD относительно , получаем .

Примем коэффициент усиления регулятора за Y, тогда передаточная функция разомкнутой системы с регулятором будет выглядеть так:

Переходя в область комплексной переменной, получаем:

Чтобы найти Y подставим в (2.6) значение и решим уравнение:

Решая уравнение с помощью программы MathCAD относительно Y, получаем Y = KAR = 1,07 - коэффициент усиления регулятора, обеспечивающий заданный показатель колебательности.

По запасу по амплитуде получаем KAR = 0,54

Построим желаемую ЛАЧХ и ФЧХ системы с KAR = 0,805 (см. рис. 2.3).

ЛАЧХ разомкнутой системы для КAR = 0,805

ЛФЧХ разомкнутой системы для КAR = 0,805



Заключение

В ходе работы над дипломным проектом была спроектирована и рассчитана система управления двигателем буровой установки по системе ПЧ-АД. По заданным значениям был произведен расчет и построена технограмма движения.

Следующим этапом в работе была проведена проверка расчетного двигателя по условию нагрева и перегрузочную способность.

Далее были построены функциональная и структурная схемы, с помощью которых были рассчитаны параметры для построения математической модели в среде MatLab.

Исследование проведенное в проекте полученной виртуальной модели позволило изучить динамические и статические характеристики системы управления электропривода постоянного тока по системе ПЧ-АД под нагрузкой и при холостом ходе.



Список использованной литературы

Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе - М.: Энергия, 1977. - 425 с.

Гольдберг О.Д. Гурин Я.С. Проектирование электрических машин. - 2-е изд. перераб и доп. - М.: Высшая школа. - 2001.

Иноземцев Е.К. Ремонт и эксплуатация электродвигателя с непосредственным водяным охлаждением типа ЛВ - 8000/6000 УЗ - М.: Энергия, 1980 - 546 с.

Иванов И.И., Равдоник В.С. Электротехника: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1984. - 375 с.

Копылов И.П., Клоков Б.К., Морозкин В.П. Проектирование электрических машин: Учебное пособие для вузов - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2007 - 757 с.

Копылов И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов. -- 2-е изд., перераб. -- М.: Высш. шк.; Логос; 2008. -- 607 с.

Копылов И. П., Клокова Б. К. Справочник по электрическим машинам: В 2 т./ Т. 1 и 2.--М.: Энергоатомиздат, 1988.--456 с:

Москаленко В.В.Справочник электромонтера 2008 г., 2-е изд., 288 стр.

Столов Л.И., Афанасьев А.Ю. Моментные двигатели постоянного тока. - М.: Энергоатомиздат,1989. - 224 с.

Токарев Б.Ф. Электрические машины: Учебник для техникумов - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 672 с.

Электродвигатели и электрооборудование. Каталог. Ч1 - М.: ИКФ «Каталог», 1994.

Электродвигатели и электрооборудование. Каталог. Ч3 - М.: ИКФ «Каталог», 1996.

Защита и диагностика агрегатов электродвигателей: Диагностика и ремонт электротехнического оборудования //Главный энергетик. - 2008. - № 5. - 125 c.

Заякин С. Частотный преобразователь в системах водоснабжения: Электротехническое оборудование //Оборудование: Рынок, предложение, цены. - 2005. - №1. - 140 c.

Кимкетов М. Устройство защиты электродвигателя от перегрузки без оперативного питания //Главный энергетик. - 2005. - № 11. - 115 c.

Электропривод переменного тока с управляемым преобразователем частоты - современное состояние. Карякин А.Л. УГГУ - 7с.

Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. для вузов. - 2-е изд. М.: Энергоатомиздат, 2001г. - 704с.

И.П. Копылов. Проектирование электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 1993г. - 454с. буровая установка электропривод

Конспект лекций: Автоматизированный электропривод. УГГУ. Елисеев В.В. 2009г. - 80с.

Асинхронные двигатели серии 4А. Справочник. А. Э. Кравчик, 1982г. - 504с.

Журнал «Новости Электротехники» № 2 (32) 2005г.

Белов М.П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: учебник для студ. высш. учеб. заведений / М. П. Белов, В. А. Новиков, Л. Н. Рассудов. 3-е изд., испр. М. : Издательский центр «Академия», 2007. -- 576 с.

Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. - 392 с., ил.

Рудаков В. В. и др. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. В. В. Рудаков, И. М. Столяров, В. А. Дартау. -- Л. Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1987,-- 136 с.

Z8 Encore! MC™Family, "Vector Control Development Kit". User Manual. UM021402-0407. 2007 by ZiLOG, Inc. All rights reserved. www.zilog.com

Терехов В.М. Системы управления электроприводов: учебник для студ. вузов/ В.М. Терехов, О.И. Осипов; под ред. В.М. Терехова. - 3-е изд., стер. - М.: Издательский центр "Академия", 2008. - 304с.

Алексеев В.В., А471. Электрические машины. Моделирование электрических машин приводов горного оборудования: Учеб. пособие / В.В. Алексеев, А.Е. Козярук, Э.А. Загривный. Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). СПб, 2006. 58 с.

Полузадов В.Н. Электрические машины. Часть 3. Асинхронные машины: Конспект лекций. 2-е издание, исправленное и дополненное. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2005. 87 с.

Чулков Н.Н. Расчет приводов карьерных машин. - М.: Недра. 1987. - 196c.

Конспект лекций: Системы управления электроприводов. УГГУ. Карякин А.Л. 2009. - 80с.

Мощинский Ю.А. и др., "Определение параметров схемы замещения асинхронных машин по каталожным данным". Ж.: "Электричество" в №4/98. 1998, стр. 38-42.

Полузадов В.Н., Дружинин А.В., Проектирование трехфазного двигателя с короткозамкнутым ротором: Учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2005. - 202с.

Александров К.К. Электротехнические чертежи и схемы/ К.К. Алексанров, Е.Г. Кузьмина. - 3-е изд., стереот. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 300с., ил.

Спиваковский А. О., Дьячков В.К. Транспортирующие машины: Учеб. пособие для машиностроительных вузов.- 3-е изд.- М.: Машиностроение, 1983.-487с.

Справочник конструктора - машиностроителя: В 3 т. - 8-е изд., перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. - М.: Машиностроение, 2001.

Сохрин П.П., Устиновский Е.П., Шевцов Ю.А. Техническая документация по курсовому проектированию по деталям машин и ПТМ: Ученое пособие. - Челябинск: Ид. ЮУрГУ, 2001. - 67 с.

Чурюкин В.А., Яшков Ю.К. Обозначение конструкторской документации: Ученое пособие. - Челябинск: ЧГТУ, 1986. - 61 с.

Зенков Р. Л., Ивашков И. И., Колобов Л. Н. Машины непрерывного транспорта. - 2 -е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1987. - 432 с.: ил.

1. Размещено на www.allbest.ru