Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Анализ технологического процесса

В состав электрооборудования стенда входят: электрошкаф, пульт управления, электропривод и радиоволновый тахометр.

Схема стенда обеспечивает контроль работы проверяемого генератора (контроль выходного напряжения) при самовозбуждении в комплекте с аккумуляторной батареей, контрольной лампочкой и добавочным сопротивлением в следующих режимах:

· При частоте вращения ротора об/мин. без нагрузки.

· При частоте вращения ротора 1800 об/мин, не более, и токе нагрузки 45 А.

· При частоте вращения ротора об/мин. и сопротивлении нагрузки Ом.

· При частоте вращения ротора об/мин. и токе нагрузки 90А.

Кроме того, схема обеспечивает контроль наличия самовозбуждения генератора при частоте вращения ротора 1400 об/мин.

К установленному и закрепленному в ложементе генератору с помощью зажима ХА1 подключаются контрольные приборы РА1 и PU аккумуляторная батарея GB и блок нагрузочных сопротивлений.

С помощью автоматического выключателя QF1 на стенд подается напряжение питания ~ 380 В 50 Гц, загорается контрольная лампочка HL1 “Сеть”, получает питание трансформатор TU источника питания. При нажатии на кнопку SB2 “Питание” запитывается электропривод А1 и получает питание схема управления стенда.

Частотный преобразователь электропривода А1, который по заранее введенным функциям программно управляет вращением двигателя привода генератора.

Частота вращения двигателя может устанавливаться дискретно потенциометрами R2, R3, R4, R5 или плавно потенциометром R1, в зависимости от положения переключателя SA1 “Дискр.”, “Плавно”.

Подключая к выходу генератора с помощью переключателя SA2 “Нагрузка” соответствующую нагрузку по приборам PA1, PU, лампочки HL7 и тахометру А2 контролируем работу генератора

Технические характеристики стенда.

Таблица 1.

Количество режимов работы	4
Частота вращения ротора генератора, мин-1
I режим	1100
II режим	1400
Ш режим	1800
IV режим	6000
Установка и съем генератора	Ручная
Привод зажима генератора	Пневматический
Усилие зажима генератора, Н (кг*с) при давлении в пневмосети:
0,3 МПа (3 кг/ см2)	590 (59)
0,45 МПа (4,5 кг/ см2)	880 (88)
Напряжение электропитания, В	380
Габаритные размеры, мм
Масса, кг	250

1.2 Описание промышленной установки

1.2.1 Стенд для проверки электрических характеристик генераторов по ТУ (далее ”Стенд”) предназначен для проверки основных электрических параметров генератора .

Стенд состоит из станины 1 ( рис.1.1.), ложемента 2, шпиндельной бабки 3, пневмооборудования 6, шкафа электрооборудования.

Сверху на станине 1 (см. рис.1.1.) закреплены шпиндельная бабка 3, антенна 5 радиоволнового тахометра, ложемент 2, пневмооборудование 6 установлено сбоку.

Внутри станины закреплён электродвигатель 7.

Рис 1.1.Общий вид стенда

1.2.2 Ложемент

Ложемент состоит из основания 1, кожуха 2, пневмоцилиндра 3, регулировочных винтов 5 и 6, зажима рычага 4, двух конечных выключателей 9 и 10.

Ложемент (см. рис.1.2.) предназначен для установки генератора на основание 1 и закрепления его рычагом 4 посредством пневмоцилиндра 3. Зажатие генератора рычагом 4 контролируется конечным выключателем 9. Регулировка положения оси генератора для совмещения её с осью шпиндельной бабки 3 (рис. 1.1.) осуществляется регулировочными винтами 5 и 6. Закрытие кожуха контролируется конечным выключателем 10.

Соединение генератора со шпинделем осуществляется посредством втулки с внутренним шестигранником, закреплённой на шпинделе .

Генератор , установленный на полки 7, зажимается рычагом 4, который приводится в движение штоком пневмоцилиндра 3, контроль зажатия генератора осуществляется конечным выключателем 9. Закрывается кожухом 2 на защелку 8, закрытие контролируется конечным выключателем 10.

Вращение электродвигателя посредством клиновых ремней передаётся на шпиндель шпиндельной бабки 3.

Контроль оборотов осуществляется радиоволновым тахометром 5.

Рис 1.2. Ложемент

1.3 Анализ взаимодействия оператор - промышленная установка

Прежде чем приступить к работе, убедиться в надежном креплении ограждений, в наличии заземления, в исправности блокировочной системы стенда.

Переключатели на панели пульта управления установить в следующие положения:

· SA1 - “Дискр”;

· SA2 - “Откл”;

· QF2 - “Откл”;

· SA4 - “Заряд”.

Подготовить к работе радиоволновый тахометр. Открыть пневмокран блока подготовки воздуха. Открыть кожух ложемента. Установить вручную генератор так, чтобы гайка ротора генератора надежно зашла в зацепление с хвостовиком шпиндельной бабки (см. рис. 1.2.).

Переключить пневмораспределитель 8 (см. рис. 1.1.) - шток пневмоцилиндра идет вверх и зажимает генератор. Подключить клеммы питания к соответствующим контактам генератора. Закрыть кожух на защелку.

Установить автоматический выключатель на боковой стенке электрошкафа “Сеть” в положение “Вкл”, переключатель SA2 “Нагрузка” на пульте управления - “1400”, SA4 - “Возбуждение”. Включить кнопку “Питание”. Замерить требуемые параметры согласно ТУ на генераторе. Повторить операцию, устанавливая переключатель SA2 “Нагрузка” в положения “1100”, “1800”, “6000”.

По окончании испытаний нажать кнопку “Стоп - Питание”. Открыть кожух ложемента, отсоединить от генератора клеммы питания. Отключить пневмораспределитель - шток пневмоцилиндра разжимает генератор. Снять генератор.

Примечания:

· При длительной работе на стенде для охлаждения блока нагрузочных сопротивлений необходимо включить вентилятор переключателем QF2.

· Выключателем SA4 “Заряд - Возбуждение” пользоваться в процессе проверки генератора согласно требований ТУ на генератор.

· В режиме проверки генератора с дискретным заданием частоты вращения (SA1 “Дискр.”) частота вращения электропривода (генератора) устанавливается автоматически по заранее введенной программе.

В режиме контроля генератора с плавным регулированием частоты вращения электропривода (генератора) устанавливается потенциометром R1 “Плавно”.

1.4 Анализ кинематической схемы. Определение параметров и составление расчётной схемы механической части электропривода

На рисунке 1.3 показана кинематическая схема привода “Стенда”

Привод состоит из главного двигателя 1, испытуемого генератора 2, ременной передачи 3, муфты 4 и подшипникого узла 5.

2. ВЫБОР СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ

2.1 Литературный обзор по теме курсового проекта

Главной задачей в аспекте развития новой техники становится создание автоматизированных асинхронных электроприводов с частотным векторным управлением, обладающих требуемой точностью в широком диапазоне регулирования и экономическими эксплуатационными свойствами. Управление частотным асинхронным электроприводом требует одновременного регулирования частоты и напряжения статора двигателя.

В случае регулирования скорости вверх от номинальной, при условии U₁=const и увеличением частоты f₁, магнитный поток должен уменьшаться. При этом критический момент двигателя снижается. А при регулировании скорости вниз от номинальной, в соответствии с законом Костенко U₁/f₁=const при М_с=const, магнитный поток остаётся неизменным. Но в случае изменения нагрузки магнитный поток немного изменяется из-за изменения падения напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях двигателя. Эта задача решается с помощью непосредственного контроля магнитного патока прямым его изменением с помощью технических средств, либо косвенным путём с привлечением вычислительных средств.

Для повышения жёсткости статических характеристик электропривода и расширения диапазона регулирования возникает так же проблема стабилизации скорости двигателя. Это решается введением в систему управления отрицательную обратную связь (ООС) по скорости. Под системой управления в данном случае подразумевают совокупность объекта управления и автоматических управляющих устройств. В объект управления входит асинхронный двигатель и преобразователь частоты с источником питания. Автоматические управляющие устройства включают себя все управляющие средства, в виде аппаратурных и вычислительных элементов, преобразующих входную информацию о переменных состояния в управляющие сигналы объектом управления.

Сейчас наиболее распространены два вида систем электропривода с НПЧ и преобразователем частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Такая система состоит из преобразователя переменного тока промышленной частоты в постоянный и автономного инвертора напряжения АИН либо АИТ, которые преобразуют напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока требуемой частоты.

2.2 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу и системы автоматизации

Электродвигатель относится к серии асинхронных двигателей 4А. Денная серия самая массовая среди серий асинхронных двигателей, применяемых в разных отраслях промышленности. Диапазон мощностей от 0,06 до 400 кВт, с осями вращения от 50 до 355 мм. Принятый ряд мощностей двигателей соответствует ГОСТ 13267-73. Габаритные, установочные и присоединительные размеры асинхронных двигателей регламентирует ГОСТ 18709-73.

Двигатель основного исполнения серии 4А - это трехфазные двигатели с короткозамкнутым ротором, с частотой питания 50 Гц, со степенью защиты IР44 и IР23. Серия включает основное исполнение АД, ряд модификаций и специализированного исполнения. Двигатели основного исполнения соответствуют общим требованиям и предназначены для нормальных условий работы.

Конструктивное исполнение всех двигателей со степенью защиты IР44 - станина с продольными радиальными ребрами и наружный обдув, установленным на валу реверсивным центробежным кожухом, предназначенным одновременно и для направления воздушного потока. Станина изготавливается из сплава алюминия и чугуна. Сердечники статора и ротора выполняются наборными из листов электростатической стали марки 2013 толщиной 0,5 мм. Обмотка имеет изоляцию класса В/10/.

Способы регулирования асинхронного электропривода можно разделить на три группы:

· Способы регулирования, при которых скольжение изменяется в широких пределах и потери, выделяющиеся в виде теплоты и элементах роторной цепи, пропорциональны скольжению;

· Способы, при которых абсолютное скольжение двигателя при регулировании остается небольшим и не достигает критического скольжения на естественной характеристике;

· Способы, при которых абсолютное скольжение при регулировании изменяется в широких пределах, но потери энергии скольжения в роторной цепи ограничены.

К первой группе относятся реостатное регулирование, регулирование изменением напряжения на статоре двигателя, наложение механических характеристик в двухдвигательном режиме и др. Но при данном способе регулирования потери в роторной цепи пропорциональны скольжению. Следовательно, для того чтобы при продолжительной работе с малой скоростью двигатель не нагревался сверх допустимой температуры, необходимо снижать нагрузку в обратно пропорциональной зависимости от скольжения. Этот недостаток ограничивает область применения двигателя с таким регулированием скорости.

Регулирование скорости путем изменения числа пар полюсов осуществляется переключением одной статорной обмотки с треугольника на двойную звезду или со звезды на двойную звезду. Число пар полюсов при этом изменяется вдвое, что вызывает соответствующее изменение скорости поля. Данный способ регулирования требует применения специальных двигателей, габариты и стоимость которых гораздо выше, чем обычных двигателей.

Частотное управление U/U_ном=f/f _ном позволяет экономичное регулирование скорости при широких пределах изменения скольжения двигателя. Для осуществления двухзонного регулирования скорости (вверх и вниз от номинальной) необходимо ввести добавочную ЭДС (частота ЭДС зависит от скольжения) в цепь ротора двигателя, которая должна иметь переменную частоту, синхронизированную с частотой ротора. А для этой цели и возможно использование преобразователя частоты. Поэтому выбираем частотное управление электроприводом. Так как диапазон регулирования скорости Д=500, то мощность преобразователя соизмерима с мощностью двигателя. А при этом целесообразно использовать частотное регулирование скорости, позволяющее реализовать непрерывное управление скоростью во всех переходных процессах электропривода. Это реализуется системой векторного управления: управляемые координаты электропривода, измеренные в неподвижной системе координат, преобразуются как векторные величины. Из этих величин, расположенных в виде проекций на оси вращения, путем координатных преобразований выделяются пропорциональные или постоянные величины координат электропривода, используемых в качестве сигналов управления в системе электропривода.

2.3 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода

На Рис 2.1.представлена функциональная схема, где изображен контур отрицательной обратной связи по скорости. Измеренное с помощью датчика скорости ДС значение сравнивается с заданной величиной ^*. Их разность поступает на вход регулятора скорости, который вырабатывает воздействие, пропорциональное заданному моменту М; подаваемое на регулятор момента РМ. Туда же поступает значение измеренной скорости . Регулятор момента состоит из функционального блока ФБ, с помощью которого формируется сигнал задания потокосцепления ₂^* в функции скорости. Характеристика блока позволяет получить двухзонное регулирование скорости. Электромагнитный момент и ток статора ограничиваются сигналом задающего момента М^*, формируемого на выходе регулятора скорости РС, в цепь обратной связи которого включено нелинейное звено, организующее отсечку, для получения статической характеристики работы на упорах. Регулированием момента и потокосцепления достигается постоянство потокосцепления ротора двигателя на скоростях ниже номинальной, и Э.Д.С. вращения на скоростях выше граничной за счет функционального блока ФБ. Для обеспечения инвариантности системы регулирования скорости к изменению потокосцепления предусмотрено делительное устройство, реализующее следующее соотношение между сигналом задания момента М^* и сигналом задания проекции вектора тока. Заданное значение ₂^* на выходе функционального блока сравнивается с текущим значением потокосцепления ₂, получаемым косвенным путем. Их разность поступает на вход регулятора потокосцепления РП. На выходах регуляторов потокосцепления и момента формируются сигналы задания i_1x^* и i_1y^* - векторы тока в системе координат, вращающейся со скоростью ₀. Формирование сигнала ₀, обеспечивающего регулирование вектора тока статора и вектора потокосцепления ротора в ориентированной по ₂ системе координат, осуществляет система ориентации, которая формирует и текущее значение ₂. В эту систему входит преобразователь координат ПК2, преобразующий сигналы пропорциональные мгновенным значениям (в ПК1) фазных токов статора АД в сигналы проекций вектора тока i_1x и i_1y ортогональной системы координат, вращающейся со скоростью ₀. Сигналы проекций этих токов поступают на узлы сравнения текущих значений i_1x и i_1y c заданными значениями i_1x^* и i_1y^*, сформированными регуляторами РП и РМ. Их разности представляют собой входные сигналы регуляторов тока РТ_х и РТ_у, которые формируют управляющие воздействия U_1x и U_1y , преобразуемые в координатном преобразователе ПК3 из комплексных переменных, в ориентированной относительно ₂, ортогональной вращающейся системы координат, в неподвижную, относительно статора.

Сигналы i_1x и i_1y в системе ориентации поступают и в цепи формирования текущих значений ₂ и ₂. В последующем, сигнал ₂ используется для определения ₀. Интегрирование ₀ дает возможность определить угол ₀, необходимый для функционирования координатных преобразователей ПК3 и ПК2. Структура преобразователя координат ПК3, производящего перевод вектора задания из декартовой системы координат в полярную, осуществляется на основании уравнений:

, (2.1)

, (2.2)

Рис.2.1. Функциональная схема.

2.4 Определение возможных вариантов и выбор рациональной системы электропривода

В настоящее время для эскалаторов метрополитенов применяются и на базовой установке могут быть применены следующие схемы электроприводов

1. -- Асинхронный двигатель с фазным ротором с дополнительными сопротивлениями, включенными в роторную цепь. АД(ФР) -- R_r.

2.-- Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором с дополнительными сопротивлениями, включенными в статорную цепь. АД(КЗР) --R_s.

3.--Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором--тиристорный регулятор напряжения. АД(КЗР)--ТРН.

4.-- Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором--преобразователь частоты. АД(КЗР)--ПЧ.

Система АД(ФР)--R_r обеспечивает необходимые статические и динамические характеристики электропривода эскалатора. К недостатком системы можно отнести: наличие асинхронного двигателя с фазным ротором, у которого имеется скользящий контакт, а следовательно он менее надежен по сравнению с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором; добавочные сопротивления в роторной цепи создающие дополнительные потери электроэнергии.

Система АД(КЗР)--R_s также обеспечивает необходимые статические и динамические характеристики, но сопротивление в статорной цепи вызывает дополнительные потери энергии. Достоинством системы можно считать применение асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Система АД(КЗР)--ТРН удовлетворяет требованиям предъявляемым к электроприводу эскалаторов, однако тиристорный регулятор напряжения обладает высокой нелинейностью и является генератором высших гармонических составляющих питающего напряжения двигателя, которые в свою очередь создают дополнительные потери энергии в двигателе и вызывают его повышенный нагрев. Достоинством системы можно считать применение асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Наиболее целесообразным в настоящее время является разработка электропривода на основе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и системой частотного регулирования.

Этот выбор обусловлен тем, что наиболее экономичной системой электропривода с точки зрения потерь в двигателе и силовой схеме, является система АД(КЗР)--ПЧ

автоматизированный электропривод кинематический динамический

3. ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ

3.1 Расчёт нагрузок и построение механической характеристики и нагрузочной диаграмм

Рассмотрим основные режимы работы установки:

1.-- При частоте вращения ротора 110032 об/мин.без нагрузки.

2.-- При частоте вращения ротора 1800 об/мин. (не более) и токе нагрузки 45 А.

3.-- При частоте вращения ротора 6000300 об/мин. при сопротивлении нагрузки 2.340.12 Ом и токе нагрузки 90А.

4.-- Кроме того, схема обеспечивает контроль наличия самовозбуждения генератора при частоте вращения ротора 1400 об/мин.(не более).

Таблица 3.1

режима	n об/мин.	рад/с	Iг А	Мг Нм	t мин.
I	1100	115.13	0	0	1
II	1400	146.53	0	0	1
III	1800	188.4	45	5.5	1
IV	6000	628	90	10	1

Определим КПД кинематической цепи по формуле:

;

где % КПД ременной передачи;

% КПД подшипниковой пары;

%.

Рассчитаем передаточное число кинематической цепи,

;

где D2=200 см.,D1=90 см. диаметры ведущего и ведомого колеса;

Отсюда получаем:

Рис. 3.1. Нагрузочная и скоростная диаграммы механизма.

3.4 Построение нагрузочной диаграммы

Нагрузочная диаграмма электропривода представляет собой зависимость электромагнитного момента М, тока I или мощности Р от времени. В тех случаях, когда момент и ток связаны линейной (или примерно линейной) зависимостью, обычно нагрузочную диаграмму строят для момента, который определяют из основного уравнения движения электропривода:

	;	(1)

где М'_с- статический момент на валу двигателя, ;

- угловая скорость двигателя, рад/с;

J- суммарный момент инерции электропривода, определяемый по формуле;

; (0000)

Статический момент на валу двигателя определяется по формуле:

; (0000)

Рассчитываем статические моменты для четырех режимов:

и так как М_ст1 и М_ст2 равны нулю.

;

Динамический момент электропривода М_дин предварительно определяют приближённо, принимая линейный закон изменения скорости, то есть:

; (4.3)

где - установившаяся; скорость двигателя на данном интервале скоростной диаграммы, рад/с;

- время пуска (торможения), с.

- допустимое угловое ускорение (замедление),рад/с².

Допустимое угловое ускорение электропривода находится по формуле:

;

;

;

;

;

На каждом интервале нагрузочной диаграммы рассчитываем динамический момент двигателя:

Используя формулу (), рассчитываем динамический момент двигателя и строим нагрузочную диаграмму электропривода:

;

;

;

;

Используя расчёты, приведенные выше, составляем таблицу и строим нагрузочную диаграмму электропривода (рис. 3.1).

режима
I	0	25,9	25,9
II	0	7	7
III	14,38	9,4	23.78
IV	26,1	98,9	125

Рис.3.1.Нагрузочная диаграмма электропривода.

3.5 Проверка выбранного электродвигателя по нагреву и перегрузочной способности

Упрощенная нагрузочная диаграмма электропривода используется для предварительной проверки двигателя по нагреву и перегрузочной способности. Для этого сначала определяем режим работы электропривода. Если режим работы электропривода связан с включением и отключением двигателя и время цикла , то это будет повторно-кратковременный режим.

Если расчетная величина продолжительности включения , то можно выбирать двигатель как для длительного режима при переменной нагрузке, а если - то как для кратковременного режима.

Для проверки двигателя по нагреву используется несколько методов: метод средних потерь и методы эквивалентных величин (тока, момента и мощности). Наиболее универсальным является метод эквивалентных величин.

В повторно-кратковременном режиме метод эквивалентных величин имеет некоторые особенности. Здесь эквивалентный момент определяется только для рабочих участков (без пауз), например,

; (3.10)

где М_p,i момент на рабочем i-ом интервале;

t_p,i продолжительность i-ого рабочего интервала;

n число рабочих интервалов в цикле;

m количество интервалов пуска и торможения;

N количество интервалов установившегося движения;

t_n,T,I -продолжительность пуска (торможения) на i-ом интервале;

t_y,I продолжительность установившегося движения на i-ом интервале;

б₀ коэффициент, учитывающий ухудшение охлаждения при пуске (торможении); для асинхронных двигателей .

Если расчетное значение ПВ отличается от стандартного, то эквивалентные величины приводятся к стандартному ПВ_ст:

. (3.11)

Двигатель будет удовлетворять условиям нагрева при данном ПВ_ст, если:

. (3.12)

где M_ном номинальный момент двигателя при данном ПВ_ст.

По нагрузочной диаграмме также проверяется двигатель по перегрузочной способности

, (3.13)

где допустимый коэффициент перегрузки двигателя по моменту.

Максимально допустимый момент асинхронного двигателя следует принимать с учетом возможного снижения напряжения на 10%, тогда

. (3.14)

На основании проверки двигателя по нагреву по нагрузочной диаграмме электропривода завышение мощности двигателя следует ограничить пределами (10-15)%.

Если эквивалентные величины превышают номинальные, то это говорит о недопустимом нагреве двигателя. В этом случае следует выбрать по каталогу двигатель большей мощности и повторить рассмотренные расчеты.

Кроме того, необходимо выбранный двигатель проверить по пусковым условиям:

, (3.15)

где M_c.max максимальное значение статического момента при пуске;

кратность пускового момента;

M_ном номинальный момент двигателя.

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИЛОВОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА И ВЫБОР КОМПЛЕКТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

4.1 Определение возможных вариантов и обоснование выбора типа комплектного преобразователя

Частотный преобразователь (ЧП) M3FU-5 предназначен для плавной регулировки скорости вращения короткозамкнутых асинхронных двигателей мощностью до 5кВт. Изделие является новейшей отечественной разработкой, соответствующей современным направлениям в мировой технике, и создано на базе 16-разрядного микропроцессора, специализированного для работы с трехфазными двигателями, и силового транзисторного IGBT-модуля. Микропроцессор выполняет функцию регулятора, генератора широтно-импульсного модулированного сигнала, формирующего в двигателе синусоидальный ток, обеспечивает связь с пультом управления, а также осуществляет необходимые защитные функции.

Пульт управления позволяет изменять режим работы ЧП (местный/дистанционный), редактировать параметры, записывать их в энергонезависимую память, а также осуществлять местное управление ЧП.

В дистанционном режиме скорость вращения двигателя задается по аналоговому входу ЧП (), а обработка сигналов “Пуск” и “Стоп” может осуществляться как с пульта так и по дискретным входам ЧП.

Широкие коммуникационные возможности позволяют встраивать ЧП в контроллерные и компьютерные сети, осуществлять управление и настройку ЧП и получать информацию о его работе. Интерфейс RS-485.

Частотный преобразователь обладает всеми контрольно-диагностическими функциями, позволяющими защитить от повреждения, как ЧП, так и асинхронную машину. Частотный преобразователь устойчив к коротким замыканиям в цепи нагрузки, заклиниванию двигателя, перенапряжения источника при торможении, исчезновению фазы силового питания, перегреву преобразователя.

Широкие возможности преобразователя позволяют применять его в различных устройствах, требующих регулирования оборотов, таких как насосы, вентиляторы, конвейеры, станки, предназначенные для дерево- и металлообработки и т.п.

Устройство и принцип работы частотного преобразователя

При подаче на выпрямительный мост входного напряжения 3х380 вольт, происходит заряд конденсатора. Ток заряда ограничен резистором R1. после запуска источника вторичного питания резистор блокируется контактами реле. Напряжение в звене постоянного тока при нормальной работе может находиться в пределах от 450 до 700 вольт. Нижний предел связан с минимально допустимым напряжением в сети. Верхнее значение может достигаться при частотном торможении двигателя, когда происходит возврат (рекуперация) накопленной механической энергии в конденсаторы ЧП. В случае превышения допустимого уровня происходит свободный выбег двигателя. Как правило, такие ситуации характерны при малом времени торможении двигателя с большим моментом инерции на валу. В таких случаях для повышения эффективности торможения к ЧП необходимо подключить внешний разрядный резистор, либо использовать режим динамического торможения.

Микропроцессор управляет транзисторным инвертером по алгоритму, обеспечивающему в двигателе синусоидальный ток, контролируя и ограничивая его на заданном уровне. Драйверы IGBT - сборки обеспечивают: гальваническую развязку по цепям питания, управления силовыми транзисторами и защиту от короткого замыкания на выходе инвертера. Микропроцессор содержит энергонезависимую память для запоминания настроек после отключения питания. Управление частотным преобразователем может осуществляться от пульта, через каналы ввода-вывода, либо по последовательному интерфейсу RS-485. использование моноканала RS-485 позволяет осуществить управление частотными преобразователями в количестве до 14 штук от внешнего контроллера.

Функциональная схема частотного преобразователя M3FU-5 технические данные

№	Параметр	Единица измерения	Значение
1	Номинальное питающее напряжение	Un, B
2	Диапазон выходного напряжения	U, B
3	Диапазон выходной частоты	Гц
4	Номинальный ток	In, A
5	Ток перегрузки	Im, A
6	Номинальная мощность двигателя	кВт
7	Диапазон регулирования
8	Время пуска	tp, c
9	Время торможения	tb, c
10	Задающее напряжение	Uz, B
11	Разрешающая способность	Гц
12	Статическая ошибка скорости вращения при изменении	сетевого напряжения	%
		нагрузки	%
		температуры	%
13	Максимальная температура радиатора	С
14	Охлаждение
15	Устойчивость к долговременной работе	t, час
16	Несущая частота выходного сигнала	кГц
17	К.П.Д.	%
18	Степень защиты
19	Габаритные размеры	Мм
20	Масса	кг

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

5.1 Разработка математической модели автоматизированного электропривода

В последнее время сформировался новый подход к построению систем асинхронного электропривода с преобразователем частоты, основанный на полных дифференциальных уровнях асинхронного двигателя, записанных на базе теории обобщенной электрической машины. Такой подход позволяет построить структуру системы управления частотным, называемую системой векторного управления и осуществить анализ и синтез асинхронного электропривода более простыми методами. Для этой цели управляемые координаты электропривода, измененные в неподвижной системе координат, преобразуются к вращающейся системе координат, в которой координаты электропривода рассматриваются как векторные величины. Из этих величин, расположенных в виде проекций на вращающиеся оси координат, путем координатных преобразований выделяются пропорциональные или постоянные величины координат электропривода, которые используются в качестве сигналов управления в системе ЭП. Дифференциальные уравнения для обобщенной машины записываются в различных системах координат. Приняты оси координат , неподвижные относительно статора и оси d,q неподвижные относительно ротора. Запись уравнений в этих осях является частным случаем математического описания процессов машины. В общем случае уравнения записываются относительно произвольных координатных осей, например u,v, вращающихся со скоростью _k, из которых можно получить любые частные случаи работы электрической машины. Если принять ось U за действительную, а ось V за мнимую, то дифференциальные уравнения могут быть записаны в векторной форме.

, (5.1)

Где U₁,U₂,i₁,i₂,₁,₂ -напряжения, токи и потокосцепления обмоток статора (индекс1) и ротора (индекс 2); R₁,R₂,L₁,L₂- активные сопротивления и индуктивности фаз обмоток статора и ротора; L₁₂ -взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора и наоборот; W- электрическая скорость ротора;M -электромагнитный момент машины; i₂ -величена комплексно сопряженная ; m- число фаз обмотки; p_n - число пар полюсов машины; I_m- мнимая часть комплексного переменного.

Эти уравнения в скалярной форме имеют вид:

, (5.2)

где _1U,_1V,_2U,_2V,-проекции векторов статора и ротора на оси U, V.

Уравнения электромагнитного момента машины могут иметь различную форму в зависимости от используемых переменных состояния машины. В частности, когда в качестве основных переменных выбраны токи и потокосцепления статора и ротора, принимаются следующие три формы записи момента (5.3)

Выражения (5.1- 5.3) дают возможность получить уравнения, записанные в любых осях. При описании электромеханических процессов, имеющих место в машинах переменного тока. Используются в основном три вида скорости координатных осей: w_к=o; w_к=w; w_к=w₀.

(5.3)

Для описания процессов в асинхронных двигателях с частотно-векторным управлением целесообразно выбрать w_к=w₀, значительно упрощающей расчеты. При этом используется запись в осях X.Y и уравнения (5.1- 5.3) имеют тот же вид, но с заменой w_к скоростью w₀ и индексов u ,v соответствующими индексами X.Y. Координатная система X,Y может вращаться с различными скоростями w₀ ,определяемыми тем, по вектору какой переменной сориентирована система координат. В устанавливающемся режиме скорость w₀ является синхронной скоростью АД (w₀=2f₁).

Правильный выбор вектора переменой состояния машины, относительно которого производятся ориентирование системы координат, позволяет упростить дифференциальные уравнения электрической машины и синтез системы регулирования.

Переход от обобщенной машины к реальной трех фазной асинхронной машине осуществляется с помощью уравнений координатных преобразований и замены параметров обобщенной машины реальными фазными значениями параметров.

Координатные преобразования уравнений реальной машины уравнением обобщенным называются *прямыми, а наоборот, обратными. Формулы координатных преобразований получаются при условии постоянства мощностей обеих машин. Они выводятся для любых переменных, записанных в любых осях. Например, формулы прямого преобразования токов статора (i_1А i_1В, i_1С) в фазах А, В, С к осям , обобщенной машины имеют следующий вид:

(5.4)

Формулы обратного преобразования:

(5.5)

где К_С=2/3- согласующий коэффициент, обеспечивающий выполнение инвариантности мощности при преобразовании переменных.

Для осуществления векторного управления короткозамкнутым асинхронным двигателем ось х,у целесообразно ориентировать по направлению результирующего ротора ₂. При этом система координат X,Y будет вращаться в пространстве со скоростью поля ротора, за которую и принимается скорость поля ротора W₀. Таким образом, будем иметь соотношения:

(5.6)

Дифференциальные уравнения имеют вид :

, (5.7)

где U_1X,U_1Y,i_1X,i_1Y - проекции вектора напряжения и тока статора двигателя на оси X,Y; ₂ -модуль результирующего вектора потокосцепления ротора;

W, W₀, W₂,. - круговая частота скольжения ротора относительно поля ротора.

Математическая модель асинхронного двигателя может быть получена на основании уравнений (5.7). Представим третье и четвертое уравнения (5.7) в виде:

(5.8)

Подставляя их в первое и второе уравнения (5.7) после преобразований получим операторные изображения проекций напряжений статора:

 (5.9)

Здесь Т_Э =L_Э/R_Э - эквивалентная постоянная времени статора;

- эквивалентное сопротивление цепи статора;

- эквивалентная индуктивность цепи статора.

Составляющие правых частей уравнений (4.7)

(5.10)

представляют собой внутренние связи асинхронного двигателя, которые могут быть скомпенсированы в блоке развязки системы векторного управления, либо реализованы внутри структурной схемы двигателя.

Полученные уравнения (5.7)и (5.9) могут быть использованы для построения полной структурной схемы двигателя. Для этой цели перенесем в левой части уравнений (5.7) составляющие (5.8), которые представляют собой дополнительные напряжения суммирующиеся с напряжением статора на входах каналов U_1X и U_1Y.

Получим:

(5.11)

На основании этих уравнений может быть определена ПФ и . При компенсации внутренних связей ПФ имеет вид

(5.12)

Для построения структурной схемы асинхронного двигателя должны быть определены следующие ПФ звеньев.

ПФ зависимости между моментом М и током

(5.13)

ПФ интегрирующего звена, определяемая уравнением движения :

(5.14)

где M_С и J - момент инерции системы приведенный к валу двигателя. Из уравнения (6.7) получим:

(5.15)

В главной цепи контура регулирования потокосцепления ротора кроме звена K_M включается звено ,преобразующее ток статора i_1X в потокосцепление ротора ₂.

 (5.16)

Синхронную скорость двигателя можно определить из уравнения:

(5.17)

Помимо главных цепей системы регулирования потокосцепления и скорости на структурной схеме двигателя изображены внутренние связи. Входными координатами для них являются U1X, U1Y, U2X, U2Y, соответственно, выходными координатами 2, i1X, i1Y, W, W0 .

Полученная структура АД представляет собой сложную систему взаимосвязанных цепей управления. Однако она позволяет сравнительно просто исследовать динамические свойства двигателя при задающих и возмущающих воздействиях и осуществить определение параметров двигателя методами моделирования.

Структурная схема может быть в значительной мере упрощена за счет компенсации в системе регулирования воздействий, определяемых внутренними связями двигателя при использовании блока развязки (БР).

На основании выше изложенного составим структурную схему модели АД (рис.5.1).



Рис.5.1. Структурная схема модели АД.

Функциональная схема автоматизированного электропривода, представленая на рис.5.2., содержит неуправляемый выпрямитель В, фильтр LC на его выходе, АИН, от которого питается двигатель М.

Для формирования контуров тока служат регуляторы тока РТX и РТY, а так же датчик тока, измеряющий мгновенные значения фазных токов i_1A, i_1B в фазах А и В. эти сигналы преобразуются функциональным преобразователем ПК1 в ортогональную неподвижную систему координат б, в в соответствии с выражениями

; .

Сформированные в ПК1 сигналы i_1б и i_1в поступают в координатный преобразователь ПК2, где преобразуются величины токов i_1x, i_1y во вращающейся со скоростью щ_k ортогональной системе координат x, y. В координатный преобразователь ПК2 поступает также сигнал, пропорциональный углу и₀. Этот угол, полученный интегрированием скорости щ_k, представляет собой угол между вектором потокосцепления и осью б неподвижной системы координат б, в. По значению угла и₀ осуществляется координатное преобразование из координат б, в в систему координат x, y путём векторного поворота:

Сигнал обратной связи по скорости ротора щ получается на выходе датчика скорости BR. Для формирования сигнала обратной связи по потокосцеплению Ш₂ используется косвенный метод его оценки на основании величины i_1x.

На выходе регуляторов тока РТX и РТY формируются сигналы управления инвертором U_x, U_y. В устройстве векторного поворота ПК3 они преобразуются в неподвижную систему координат:

Полученные сигналы управления U_б, U_в преобразуются устройством ПК4 в трёхфазную систему сигналов управления инвертором:



Рис.5.2. Функциональная схема электропривода.

5.2 Расчёт параметров объекта управления

Используемые координатные преобразования позволяют выделить в системе два независимых канала регулирования: потокосцепления и скорости.

Определим номинальный момент двигателя:



Определим время пуска двигателя:

где

Рассчитываем номинальный момент двигателя:

Номинальный ток фазы двигателя:

Рассчитываем индукционное сопротивление намагниченного контура:

Найдём индуктивность цепи статора:

.

Найдём индуктивность цепи ротора:



Найдём значение взаимоиндукции:

,

где .

Тогда:

Рассчитаем эквивалентную индуктивность цепи статора:

Найдём эквивалентную постоянную статора:

Произведём синтез системы управления АД с АИН.

Операторное уравнение выпрямителя:

Операторное уравнение фильтра:



Контур тока включает в себя объект второго порядка описываемый передаточными функциями звеньев К_ф и К_В.

Используя модульный оптимум определим передаточную функцию разомкнутого нескорректированного контура тока:

(5.18)

В этом случае при модульном оптимуме будем иметь желаемую передаточную функцию в виде:

(5.19)

Разделив (4.19) на (4.18) получаем передаточную функцию регулятора тока:

где ;

где

p_k=1 - число пар полюсов;

(5.20)

Следовательно, регулятор тока ПИ.

где К_п - коэффициент усиления преобразователя:

k_от - коэффициент обратной связи по току:

Тогда:

(5.21)

Определим передаточную функцию замкнутого контура тока:

(5.22)

Передаточная функция разомкнутого нескоректированного контура скорости имеет вид:

(5.23)

Подставим выражение (4.22) в (4.23) получим:

(5.24)

Желаемая передаточная функция контура скорости имеет вид:

(5.25)

Разделив выражения (5.25) на (5.24) получаем передаточную функцию регулятора скорости:

(5.26)

Следовательно регулятор скорости П.

где к_ос-- коэффициент обратной связи по скорости

Тогда:

В системе регулирования скорости АД с подчинённой обратной связью по току i_1в применяется локальная система стабилизации потокосцепления ротора в которой применена подчинённая обратная связь по току i_1б. Использование компенсационных связей в системе стабилизации потокосцепления ротора обеспечивает условие автономности. Это условие даёт возможность выполнить синтез регуляторов потока и тока i_1б независимо от координат системы стабилизации скорости. Аналогичное условие автономности применимо и при синтезе регуляторов скорости и тока i_1в. Контуры регулирования токов i_1б и i_1в являются одинаковыми.

Передаточная функция разомкнутого нескорректированного контура потока:

(5.27)

Желаемая передаточная функция контура потока имеет вид:

(5.28)

Разделив выражение (4.28) на (4.27) получаем передаточную функцию регулятора потока:

(5.29)

Следовательно регулятор потока ПИ.

где

.

Тогда:

Структурная схема электропривода представлена на рис.5.3.

Рис4.3. Структурная схема электропривода.

6. РАЗРАБОТКА ИММИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Используя синтез системы произведенный в пункте 4, составим имитационную модель с помощью программы MatLab 5.3.

Имитационная модель электропривода представлена на рис.5.1.

7. АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Графики представлены на рис. 8. для минимального момента нагрузки и максимального соответственно. За максимальный момент нагрузки примем момент при подъёме с грузом, а за минимальный при опускании без груза.

Как видно из графиков, отработка скорости происходит точно с заданием. При этом, анализируя графики при максимальном и минимальном статическом моменте, можно сделать вывод, что статизм механической характеристики составляет около5%. Это значение вполне удовлетворяет требованиям, предъявляемым к системе.

Рис 7.1 График щ от t (максимальная нагрузка).

Рис 7.2 График ш₂ от t (максимальная нагрузка).

Рис 7.3. График М от t (максимальная нагрузка).

Рис. 7.4. График с выхода регулятора скорости (максимальная нагрузка).

Рис 7.5. График с выхода регулятора потока (максимальная нагрузка).



Рис 7.6. График I1x от t (максимальная нагрузка).

Рис 7.7. График I1y от t (максимальная нагрузка).

Рис 7.8. График с выхода регулятора тока в канале стабилизации скорости (максимальная нагрузка).



Рис 7.9. График с выхода регулятора тока в канале стабилизации потокосцепления (максимальная нагрузка).

Рис 7.10 График щ от t (минимальная нагрузка).

Рис 7.11. График М от t (минимальная нагрузка).



Рис 7.12. График I1x от t (минимальная нагрузка).

8. ОХРАНА ТРУДА

8.1 Техника безопасности

Опасными основными производственными факторами в данном ТК являются вращающиеся и движущиеся части механизма “Стенда” (ременная передачи, исполнительное устройство) и электрический ток.

Для предупреждения травматизма при работе необходимо, чтобы планировка участка обеспечивала свободный, удобный и безопасный доступ обслуживающего персонала к “Стенда”, основному и вспомогательному технологическому оборудованию, к органам управления и аварийного отключения всех видов оборудования, входящих в его состав. Для обеспечения безопасности лиц, обслуживающих “Стенда”, “Стенд” оснащается оградительными, предохранительными, блокирующими и другими защитными устройствами. В данном “Стенде” предусмотрены конечные и аварийные (если конечные датчики не сработают) датчики. Электрооборудование “Стенда” оснащается пусковой аппаратурой, исключающей самопроизвольное включение при восстановлении внезапно исчезнувшего напряжения независимо от положения органов управления к этому моменту. Электробезопасность “Стенда” обеспечивается изготовлением электрооборудования в соответствии с ГОСТ 12.2.007.0-75, ГОСТ 12.2.007.14-75 [9], ГОСТ 12.1.019-79 [7] и соблюдением правил ПУЭ [22] при их эксплуатации. В частности необходимо произвести защитное зануление ПК согласно ГОСТ 12.1.030-81 [8]. Обеспечить надежную изоляцию всех токоведущих частей.

В случае повреждений изоляции токоведущих частей возможно попадание человека под фазное напряжение.

При установке стационарных блокировок и ограждений они обеспечивают проход человека в ограждаемую зону только через места, оборудованные соответствующими устройствами, и исключать возможность падения (вылета и т. п.) объектов манипулирования . Ограждения окрашивают по ГОСТ 12.4.026-76 [11] (в данном случае в желтый цвет), а рабочее пространство ПК обозначают сплошными линиями желтого цвета шириной 50-100 мм. Вход в зону ограждения блокируется с системой управления, осуществляющей остановку ПК при входе человека в эту зону. На дверь навешивают знак «Вход воспрещен», выполненный по ГОСТ 12.4.026-76 [11].

Эксплуатация ПК, проводится в соответствии с требованиями ГОСТ 12.2.072-82 [10].

Для персонала, обслуживающего технологический комплекс, должны быть разработаны и утверждены в установленном порядке инструкции по охране труда в которых приводят обязанности обслуживающего персонала, безопасные приемы и методы работы при обучении, наладке, ремонте ПК, формы организации контроля за мероприятиями и средствами обеспечения безопасности, рациональные режимы труда и отдыха персонала, обслуживающего данный ПК.

В инструкцию по эксплуатации включают следующие разделы.

· Общие требования безопасности. Указываются назначение и характеристики ПК, особенности его привода, характеристика опасных и вредных производственных факторов, действующих на работающих, требования по обеспечению взрыво и пожаробезопасности, условия допуска лиц к выполнению работы, а также ответственность работающего за нарушение требований инструкции.

· Требования безопасности перед началом работы. В частности необходимо указать на то, что оператор должен проверить исправность оборудования, приспособлений и инструмента, ограждений, сигнализации, блокировочных и других устройств, защитного заземления, вентиляции, провести пробный цикл работы на холостом ходу, провести тестовую проверку функционирования частей комплекса. Особо внимание при этом уделяется блокировочным устройствам, которые должны срабатывать в соответствии с электрической схемой.

· Требования безопасности во время работы. Указываются способы и приемы безопасного выполнения работ, правила использования технологического оборудования, приспособлений и инструментов.

· Требования безопасности в аварийных ситуациях. Отражаются порядок безопасного отключения и действия персонала при возникновении опасных, критических и аварийных ситуаций, которые могут сформировать несчастный случай или аварию.

· Требования безопасности по окончанию работы. Указывается порядок отключения и остановки ПК, переключения его на ручной режим, записей в журнале о техническом состоянии, передачи ПК по смене.

· Требования безопасности, безопасные приемы и методы работы при обучении, проведении наладочных, ремонтных и профилактических работ.

· Требования к организации контроля за безопасной работой. Указывается, что контроль за исправностью оборудования и средств защиты на ПК, соблюдением работающими правил безопасности труда осуществляют ИТР цеха, отдел охраны труда предприятия совместно со службой, проводящей контроль за оборудованием с ПК.

Расчет защитного заземления заключается в определении основных его параметров -- числа, размеров и размещения вертикальных электродов, а также длины горизонтальных соединительных шин, при которых общее сопротивление растеканию тока не превысит соответствующее, регламентируемое ПУЭ значение. В электроустановках напряжением до 1000 В со-противление заземляющего устройства не должно превышать 4 Ом. При мощности источника питания менее 100 кВА заземляющие устройства могут иметь сопротивление не более 10 Ом. Сопротивление растеканию зависит от геометрических размеров элементов заземлителя, глубины заложения, удельного сопротивления грунта.

Контроль за состоянием заземляющего устройства проводят регулярно не реже одного раза в год в период наименьшей проводимости грунта. Если окажется, что сопротивление заземляющего устройства R_зу больше нормируемого, то его следует привести в соответствие с нормой. Уменьшить сопротивление можно путем солевой обработки грунта вокруг заземлителя, увлажнения грунта или забивки дополнительных электродов. Сопротивление растеканию защитного заземления контролируют при помощи измерителей сопротивления заземления типов МС-08, М416 и др.

Зануление. Как известно, трехфазные сети переменного тока могут работать как с изолированной, так и с заземленной нейтралью. В таких сетях напряжением до 1000 В защита персонала от поражения электрическим током осуществляется занулением.

Занулением называется преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением _.

Защитный эффект зануления заключается в уменьшении длительности замыкания на корпус, а следовательно, в сокращении времени воздействия электрического тока на человека. Это достигается соединением металлических корпусов электроустановки с нулевым проводом питающего трансформатора. Такое соединение превращает любое замыкание на корпус в короткое замыкание, при котором срабатывает максимальная токовая защита (плавкая вставка или автоматический выключатель), отключая поврежденную электроустановку от сети.

В сети с занулением (рис. 30) следует различать нулевой защитный проводник (НЗ) и нулевой рабочий проводник (HP). Нулевым защитным проводником называют проводник, соединяющий зануляемые части с заземленной нейтральной точкой генератора или трансформатора. Нулевой рабочий проводник служит для питания электроприемника, и он тоже подключен к заземленной нейтрали источника питания.

Для обеспечения надежного и быстрого отключения поврежденной электроустановки сила тока короткого замыкания должна достигать определенного значения, которое зависит от сопротивления фазного и нулевого защитного проводников. В соответствии с этим, первое требование ПУЭ в отношении выполнения зануления определяет, что проводимость фазных и нулевых защитных проводников, должна быть выбрана такой, чтобы при замыкании на корпус возникал ток короткого замыкания. Превышающий не менее чем в 3 раза номинальный ток ближайшей плавкой вставки или уставку тока регулируемого расцепителя автоматического выключателя.