Разработка системы управления электроприводом листоправильной машины

Основные этапы и направления процесса разработки системы управления электроприводом листоправильной машины, учитывающий переменность статического момента нагрузки и момента инерции, с целью повышения энергетической эффективности стана 112802300.

Рубрика Производство и технологии
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 11.03.2012
Размер файла 4,1 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Из переходной функции по скорости следует, что пуск будет достаточно длительным: на розгон до скорости, близкой к скорости холостого хода двигатель тратит 17 с. Такая длительность обусловлена в первую очередь большим моментом инерции элементов, которые вращаются и может быть сокращена при помощи регуляторов.

2.6 Анализ работы асинхронного двигателя на базе модели в системе координат (d - q), которая вращается с частотой вращения ротора

Модель асинхронного двигателя в системе координат (d - q)

Система координат (d - q) является неподвижной относительно ротора двигателя и вращается относительно статора с частотой вращения ротора, то есть. Такая система координат находит широкое применение для анализа переходных процессов в синхронных и асинхронных двигателях при несиметрии ротора.

Система координат, которая вращается с частотой вращения ротора, сдвинута относительно неподвижной системы координат на угол (рисунок 2.15).

Рисунок 2.15 - Системы координат (б - в) и (d - q)

В установившемся режиме угол остаётся неизменным. Во время переходных процессов его значение изменяется. Действительная ось системы координат d будет жестко соединена с направлением вектора потокосцепления ротора как в переходных, так и в установившихся режимах работы - система координат ориентирована по вектору.

Дифференциальные уравнения для описания такой ориентировочной системы координат получают исходя из структуры, построенной по векторам, .

Уравнения по векторам, , исходя из общего описания асинхронного двигателя, приведенного в пункте 2.2, могут быть представлены в следующем виде:

(2.58)

Уравнения баланса напряжения статора в (2.58) содержат по две исходных от сигналов составляющих. Выполним приращение, отнявши от первого и второго уравнений соответственно третье и четвертое, умноженные на коэффициент. В результате уравнение равновесия напряжений статора и ротора можно привести к виду

(2.59)

Дополняя (2.59) соответствующим уравнениям электромагнитного момента (2.47) и уравнением движения (2.48), можно построить математическую модель асинхронного двигателя по векторам, . При ориентации системы координат по вектору потокосцепления ротора используется структура модели, с некоторыми дополнениями. Традиционное обозначение такой системы координат - (d - q).Условие вращения системы координат возьмем в виде

, . (2.60)

Используя в (2.59) соответствующие новые индексы, и подставив (2.60), после преобразований получим

(2.61)

Последнее уравнение (2.61) есть условием точной ориентации по вектору потокосцепления ротора. Составная в установившихся режимах равняется абсолютному скольжению двигателя.

Соответствующее уравнение электромагнитного момента будет иметь простой вид

. (2.62)

Дополнив (2.61), (2.62) уравнением движения (2.48), можно построить структурную схему асинхронного двигателя в системе координат, ориентированной за вектором потокосцепления ротора (рисунок 2.17). При вычислении условия ориентации с целью исключения случая деления на ноль до сигнала, как правило, добавляется малая константа, которая принимает значения в диапазоне от до .

Входные координаты приведенной структурной схемы при переходе от системы (б - в) до (d - q) преобразуются координатным преобразователем следующим образом

(2.63)

где - угловое передвижение движущей системы координат (d - q).

Рисунок 2.16 - Структурная схема асинхронного двигателя в системе координат (d - q), ориентированной по вектору потокосцепления ротора

Построение переходных функций асинхронного двигателя на базе модели в системе координат (d - q)

Используя структурную схему асинхронного двигателя в системе координат (d - q) из предыдущего раздела (рисунок 2.16), построим его модель в программной среде MATLAB Simulink. Ротор считаем короткозамкнутым, поэтому во время моделирования, .

Дополнительные расчетные параметры для построения модели:

,

,

,

.

Для представления трёхфазного напряжения питания электрической машины к двухфазной в системе координат (б - в) используем координатный преобразователь 3-2 (рисунок 2.8), а для перехода от (б - в) до (d - q) - координатный преобразователь 2-2 (рисунок 2.17), который работает по закону (2.63). В дальнейшем преобразователь представляется в виде скрытой подсистемы.

Рисунок 2.17 - Модель координатного преобразователя 2-2 в MATLAB Simulink

Модель асинхронного двигателя как скрытой подсистемы вMATLAB Simulink приведена на рисунке 2.19. Она построена в соответствии со структурной схемой, приведенной на рисунке 2.16. Значения и получают от координатного преобразователя 2-2, который получает на вход значения и от преобразователя 3-2, а также значения угла, которое вычисляется в модели асинхронного двигателя по следующей формуле:

, (2.64)

где  - скорость вращения системы координат, которая вычисляется по последней формуле из системы уравнений (2.61).

В качестве выходов модели используют следующие параметры: скорость вращения вала двигателя, необходима скорость вращения системы координат, проекции токов на оси (d - q) и момент двигателя.

На рисунке 2.19 представлена модель асинхронного двигателя с двумя координатными преобразователями, источниками питания и блоками Scope для отображения графической информации. Ток статора в этой модели рассчитывается как корень квадратный из суммы квадратов проекций на оси (d - q).Модель на рисунке 2.18 позволит определить переходные процессы от основных координат двигателя.

Рисунок 2.18 - Модель асинхронного двигателя в двухфазной системе координат (d - q) в MATLAB Simulink

Рисунок 2.19 - Модель асинхронного двигателя с координатными преобразователями, источниками питания и блоками для отображения графической информации

На рисунках 2.20 - 2.23 приведены результаты моделирования в программной cреде MATLABSimulink.

Рисунок 2.20 - Напряжения на выходе координатного преобразователя 2-2

Рисунок 2.21 - Зависимость действующего значения тока статора от времени при пуске в холостом режиме, полученная на модели асинхронного двигателя в системе координат (d - q)

Рисунок 2.22 - Зависимость момента двигателя от времени пуска в холостом режиме, получена на модели асинхронного двигателя в системе координат (d - q)

Рисунок 2.23 - Переходная функция по скорости во время пуска в холостом режиме, полученная на модели асинхронного двигателя в системе координат (d - q)

На рисунке2.21 показано каким образом изменяется напряжение на выходе другого координатного преобразователя, то есть какое задание и подается на вход модели двигателя. Напряжение на выходе преобразователя 3-2 и трехфазное напряжение питания остаются такими же, как и при построении модели в системе координат (б - в) - приведены на рисунках 2.10 и 2.11.

Сравнивая графики переходных функции по току, моментом и скоростью, полученные при моделировании в системе координат (б - в) и в системе координат (d - q) можно заключить, что они почти совпадают. Незначительные погрешности связаны с особенностями математического моделирования в MATLAB Simulink. Поэтому построенные математические модели асинхронного двигателя являются адекватными.

2.7 Математическая модель асинхронного двигателя в системе координат (d - q) с учетом жесткости эксцентрического вала

Упругие механические звенья привода машин, как накопители энергии, вызывают колебания его координат с отклонением процессов от заданных по технологии и ростом нагрузок на передачу и двигатель. Динамические нагрузки колебательного характера не позволяют использовать электрическое оборудование по перегрузочной способностью, значительно сокращают срок работы узлов и деталей механических передач, негативно влияющих на качество продукции [6, 7].

Однако учет упругих связей целесообразно лишь в том случае, когда частота упругих колебаний по величине может быть сопоставлена с рабочими частотами электропривода.

Выполним анализ целесообразности исследований на базе двохмасовой модели механической подсистемы. В таких системах необходимо значение выходной скорости снимать непосредственно с объекта управления. Снятие показателей с вала двигателя не обеспечит нужного управления скоростью.

Рассчитаем жесткость эксцентрикового вала, который приводит в движение ножи. Жесткость вала рассчитывается по следующей формуле

, (2.65)

где  Па - модуль упругости сдвига углеродистой стали;

- полярный момент инерции для круглого вала;

 м - длина эксцентрического вала;

 м - радиус эксцентрического вала.

Таким образом, полярный момент инерции иметь значения

кгм2,

Жесткость вала

Нм.

Приведём параметры механической части к валу двигателя. Приведенный коэффициент жесткости состояние

, (2.66)

Нм.

Масса вала, который вращается, может быть рассчитана следующим образом

, (2.67)

где - площадь углеродистой стали.

 кг.

Рассчитаем частоту собственных колебаний двухмассовой системы

, (2.68)

где  - момент инерции двигателя;

- момент инерции цилиндрического эксцентрического вала, который рассчитывается следующим образом

кгм2,

 Гц.

Полученная частота собственных колебаний достаточно велика для электропривода, поэтому выполнять демпфирования упругих колебаний не является целесообразным. Все высокочастотные колебания почти не пропускаются механическими частями системы.

Для подтверждения незначительности влияния частоты на динамические характеристики построим модель асинхронного двигателя в двухфазной системе координат (d - q), показанную на рисунке 2.18, с учетом двохмасовости (рисунок 2.24).

Рисунок 2.24 - Структурная схема двохмассовой математической модели

Модель асинхронного двигателя в двухфазной системе координат (d - q) в виде маскированной подсистемы в MATLAB Simulink приведена на рисунке 2.25.

На рисунке 2.25 приведены две модели асинхронного двигателя с двумя координатными преобразователями, источниками питания и блоками Scope для отображения графической информации. Модель в виде подсистемы Engine_single_mass - одномассовая. Она отвечает рисунку 2.18. Engine_double_mass - двохмасова подсистема асинхронного двигателя, построенная по рисунку 2.25.

Рисунок 2.26 - Модели асинхронного двигателя с координатными преобразователями, источниками питания и блоками для отображения графической информации, собраны с учетом жесткости эксцентрикового вала и без него

Переходные функции по скорости при пуске в холостом режиме, полученная на модели асинхронного двигателя в системе координат (d - q) в одномасовий и двохмасовий системах, приведены на рисунке 2.27. Из этого рисунка следует, что переходные характеристики имеют одинаковый характер, однако в двохмасовий системе несколько увеличивается длительность переходного процесса (на 0,3 с).

В дальнейшем, для повышения адекватности математического моделирования, будем учитывать жесткость эксцентрикового вала, т.е. такую модель асинхронного двигателя, которая показана на рисунке 2.25.

Рисунок 2.27 - Переходные функции по скорости при пуске в холостом режиме, полученные на модели асинхронного двигателя в системе координат (d - q) с учетом жесткости эксцентрикового вала и без него

2.3 Разработка и описание принципиальной схемы базовой электромеханической системы

Выбор преобразователя фирмы Siemens

Наиболее подходящим преобразователем к двигателю K21F315L41 является преобразователь SINAMICS S120 ServoControl. Этот тип преобразователя имеет модульную конструкцию, следовательно, необходимо сделать выбор модулей в соответствии с поставленной задачей.

Централизованные приводные системы предлагают широкий силовой спектр в модульной конструкционной технике. С помощью различных модулей регулирования могут реализовываться разные соединения приводов с главной системой управления.

Ниже приведены некоторые технические данные преобразователя SINAMICS S120

Таблица 2.4 - Технические параметры преобразователя SINAMICS S120

Электрические данные

Механические данные

Сетевое напряжение

3 AC 380 В до 480 В ±10%

(-15% < 1 мин)

Вибрационная нагрузка:

- Транспортировка

- Эксплуатация

EN 60721-3-2, класс 2M3

EN 60721-3-3, класс 3M4

Частота сети

50/60 Гц, -6/+6%

Модули

Категория перенапряжения

Класс III по EN 60664-1

Сетевые модули в формате книги

- Номинальная импульсная частота;

3 AC 380 Вдо 480 В

Cетевые модули Active в формате книги

- Номинальная импульсная частота;

8 kHz

Подключаемые сетевые модули

Регулируемые модули питания / рекуперации (с IGBT в направлении подачи и рекуперации) со ступенчатыми преобразователями создают повышенное, стабилизированное напряжение DC, что означает, что подключенные сетевые модули не зависят от допустимых отклонений напряжения.

В стандартной конфигурации сетевые модули Active имеют следующие интерфейсы:

- 1 x силовое подключение через винтовые клеммы со встроенной пластиной подключения экрана (макс. до номинальной мощности 16 кВт 21.5 HP);

- 1 x подключение для электронного питания через оконечный блок сопряжения 24 В входит в объем поставки;

- 1 x подключение к сети DC через встроенные шины DC;

- 3 x гнезда DRIVE-CLiQ;

- 2 x подключения PE (защитное заземление).

Выберем базовый модуль питания шасси 6SL3330 - 1TE38 - 2AA0со следующими параметрами:

- мощность питания при 3 АС 400 В - 400 кВт;

- максимальная мощность питания - 600 кВт;

- входной ток, при напряжении сети 400 В - 710 А;

- максимальный входной ток, при напряжении сети 400 В - 1065 А;

- максимальное потребление тока DC - 24 В-питание электроники - 1,1 А.

Выбор сетевых силовых компонентов

Сетевые силовые компоненты используются для защиты подключенных компонентов от динамического или длительного перенапряжения и для того, чтобы соблюдались предписанные предельные значения.

Вместе с сетевыми дросселями и согласованной структурой системы сетевые фильтры ограничивают кондуктивные помехи, создаваемые силовыми модулями до значений, допустимых для промышленных блоков питания (класс A1 по EN 61800 - 3) на месте монтажа. Сетевые фильтры подходят только для прямого подключения к сетям TN (заземление). Выбираем сетевой фильтр марки 6SL3000 - 0ВE41 - 2AA0 с таким параметрами:

- номинальная мощность базового модуля питания - 710 кВт;

- номинальный ток - 1600 А;

- потери мощности - 0,182 кВт,

- напряжение - от 380 до 480 В.

Сетевой дроссель

Выберу сетевой дроссель 6SL3000 - 0CE37 - 0AA0 с таким параметрами: номинальная мощность подачи сетевого модуля - 400 кВт; максимальный ток по нагреву - 773 А; потери мощности - 0,31 кВт, напряжение - 400 В.

Выбор модулей двигателя

Существует широкий спектр одноосевых и двухосевых модулей двигателя с разными номинальными значениями тока / мощности:

В стандартной конфигурации однодвигательные модули имеют следующие интерфейсы:

- 2 x подключения к сети DC через встроенные шины DC;

- 1 x подключение для электронного питания через встроенную шину
24 В DC;

- 3 x гнезда DRIVE - CLiQ;

- 1 x подключение двигателя, штекерное (не входит в объем поставки) или посредством винтовых болтов в зависимости от номинального выходного тока;

- 2 x входные клеммы безопасного останова (отпирающие импульсы);

- 1 x управление безопасным торможением двигателя;

- 1 x вход датчика температуры (KTY84 - 130);

- 2 x подключения PE (защитное заземление);

Статус модулей двигателя отображается на двух цветных дисплеях LED;

Выберу модуль 6SL3320 - 1TE36 - 1AA0, как наиболее удовлетворяющий параметрам двигателя. Его параметры сведем в таблицу 2.5

Таблица 2.5 - Технические параметры модуля двигателя 6SL3320 -1TE36 - 1AA0

Параметр

Значение

Номинальный выходной ток Irated, А

605

Макс. выходной ток Imax, А

885

Номинальная мощность при напряжении сети 600 В DC, кВт

315

Диапазон напряжения сети DC

510….750

Макс. потребление тока (при 24 В DC), А

1,0

КПД

0,986

Подключение двигателя U2, V2, W2

Штекерный разъем (X1), макс. 30 A

Подключение DC контура DCР, DCN

Флянцевое соединение для подключения шин

Макс. длина силового кабеля двигателя, м

300 (экранированного)

450 (экранированного)

Компоненты связи DC

- тормозной модуль;

- тормозные резисторы;

- модуль регулирования питания;

Тормозной модуль (и внешний тормозной резистор) необходим для приведения приводов в состояние управляемого останова в случае короткого замыкания сети (например, аварийный отвод) или для ограничения напряжения сети DC во время кратковременной рекуперации, если, например, способность сетевых модулей к рекуперации была отключена или установлена в пол полной мере. Тормозной модуль защищает силовую электронику и соответствующий контур управления. Во время работы энергия сети DC преобразуется в потери тепла во внешнем тормозном резисторе, расположенном за пределами электрошкафа. Тормозной модуль работает автономно. Тормозные модули могут работать параллельно. Они также могут использоваться для быстрой разрядки сети DC.

Выберу тормозной модуль с заказным номером 6SL3300 - 1АЕ32 - 5ВA0. Параметры тормозного модуля сведем в таблицу 2.6

Таблица 2.6 - Технические данные тормозного модуля

Параметр

Значение

Номинальная мощность, кВт

50

Максимальная мощность, кВт

250

Допустимая нагрузка по току шины 24 В DC, мА

10

Макс. ток нагрузки на каждый цифровой выход, mA

500

Напряжение

DC 24 V

Избыточная мощность в сети DC утилизируется тормозным резистором.

Тормозной резистор подключается к тормозному модулю. Это означает, что результирующие потери тепла могут быть отведены за пределы электрошкафа. Существуют два тормозных резистора с разной номинальной и пиковой мощностью. Параметры тормозного резистора:

- заказной номер 6SL3000 - 1ВE32 - 5AA0;

- номинальная мощность Prated - 50 кВт;

- пиковая мощность Pmax - 250 кВт;

- период включения для пиковой мощности - 15 с;

- максимальный ток - 378 А;

- класс защиты - IP 20.

Модуль управления CU320

Коммуникация и функции управления для одного или нескольких модулей двигателя и сетевых модулей Active выполняются в блоке управления CU320. В стандартной конфигурации блоки управления предназначены для многоосевого использования. Компоненты DRIVE - CLiQ, например, модули двигателя и сетевые модули Active, могут быть подключены к блокууправления CU320. Количество модулей зависит от необходимых эксплуатационных характеристик, включая тип режима и дополнительные функции. Коммуникация между блоком управления CU320 и подключенными компонентами осуществляется через DRIVE - CLiQ.

Если для конкретной задачи необходимо несколько блоков управления, то их количество может быть увеличено соответственно. В этом случае блоки управления подключаются, например, через PROFIBUS к вышестоящему контроллеру. Заказной номер 6SL - 3040 - 0MA00 - 0AA1.С карточкой CompactFlash для CU320 6SL - 3054 - 0АA00 - 1AA0. Также установлен промежуточный держатель для CU320: 6SL - 3064 - 1ВВ00 - 0AA0.

Модуль датчика

Модуль датчика для монтажа в шкаф SМС10 имеют по умолчанию следующие интерфейсы:

- 1 й интерфейс DRIVE - CLiQ;

- 1 подключение датчика включая определение температуры температуры (KTY84 - 130), через SUВ - D разъём или клеммы;

- 1 подключение для питания электроники через штекер DC - 24В;

- 1 подключение PE/ защитного проводника;

Многоцветный светодиод показывает состояние модуля датчика SМС30. Модули датчиков SМС30 могут монтироваться на профильную монтажную шину 35Ч15/7,5 по ЕN 50022. Заказной номер 6SL - 3055 - 0АA00 - 5СA1. Параметры модуля датчика сведём в таблицу 2.7

Таблица 2.7 - Технические данные тормозного модуля

Параметр

Значение

Максимальное потребление тока SМС30, без учёта датчика, А

0,6

Максимально подключаемое сечение, мм2

2,5

Максимальный защитный предохранитель, А

20

Мощность потерь, Вт

<10

Дополнительные системные компоненты

Коммуникационная панель CBC10 используется для сопряжения блока управления CU320, а значит и приводов с протоколом CAN (сеть области контроллера). Соответствующее программное обеспечение приводов предоставляет содержание сообщений сети в соответствиес профилем приводов CAN open и профилем входов / выходов. Заказной номер 6SL3055 - 0AA0 - 2CA0.

Силовые кабели

Силовые кабели MOTION - CONNECT могут использоваться для подключения асинхронных двигателей к модулям двигателя. Выберу кабель марки 6FX5002 - 5CS41 - 0 со следующими параметрами:

- количество жил х сечение: 4 х 4;

- размер разъёма: 1,5;

- допустимая нагрузка по току к IEC 60204 - 1: 28 А.

Сигнальные кабели

Кабели DRIVE - CLiQ используются для подключения компонентов со штекерами DRIVE - CLiQ, которые имеют отдельный или внешний блок питания 24 В DC. Кабели DRIVE - CLiQ для подключения сетевых модулей / модулей двигателя с блоком управления входят в объем поставок соответствующих сетевых модулей / модулей двигателя. Выбираю сигнальный кабель DRIVE - CLiQ с заказным номером 6SL3060 - 4АА10 - 0AA0 длиной 0,95 м и кабель DRIVE - CLiQ с заказным номером 6SL3060 - 4АJ20 - 0AA0 длиной 2,8 м.
Кабели MOTION - CONNECT DRIVE - CliQ используются, если компоненты со штекерами DRIVE - CLiQ должны соответствовать высоким требованиям, таким как, механическое напряжение или маслоустойчивость, например, для соединений за пределами электрошкафа между:
- модулями двигателя и сенсорными модулями;
- модулями двигателя и двигателями с интерфейсом DRIVE - CLiQ.

Кабели MOTION - CONNECT DRIVE - CLiQ имеютжилы 24 В - DC. Заказной номер 6FX502 - 2CD01 - 0.

Готовые кабели MOTION - CONNECT Используются, если датчики положения двигателей без интерфейса DRIVE - CLiQ подключаются к сенсорным модулям.
Выбор шин Profibus - DP
Выбираю диагностический повторитель для Profibus - DP 12 мбит/сек двухжильный с фланцем на стороне двигателя длиной 5 м: 6ES7972 - 0BA41 - 0XA0.

Блоки питания

Выбираю модульный блок питания 1АС, 2АС, 120/230 VAC/24 VDC, 20 A, 120/230 с заказным номером 6EP1336 - 3ВА00.

Выбираю модульный блок питания 1АС, 2АС, 120/230 VAC/24 VDC, 5 A, 120/230-500 с заказным номером 6EP1336 - 3ВА00.

Выбираю модульный блок питания 1АС, 2АС, 120/230 VAC/24 VDC, 5 A, 120/230 с заказным номером 6EP1336 - 3ВА00.

Применяется модульный блок питания в различных областях промышленности во всех регионах мира. 3-фазное входное напряжение с диапазоном допустимых отклонений ~320… 550 В. Светодиодная индикация. Выбираемая реакция на короткое замыкание: ограничение тока или защитное отключение. Возможность подключения дополнительного буферного модуля (6EP1961 - 2BA00), сигнального модуля (6EP1961 - 2BA10) и модуля резервирования (6EP1961 - 2BA20).

Применение блоков питания SITOP modular =24 В/20 A позволяет получить целый ряд преимуществ:

- продление срока службы подключенных приемников электроэнергии: отсутствие колебаний напряжения и наличие электронных защит;

- минимальное выделение тепла: высокий КПД блока питания;

- простота установки.

Индикаторная панель оператора

Выберу панель оператора ВOP20 с заказным номером 6SL3055 - 0AA00 - 4ВA0. Расширенная панель оператора ВOP20 - это опционное устройство ввода / вывода для преобразователей серии SINAMICS. ВOP20 и преобразователь частоты SINAMICS осуществляют связь по последовательному интерфейсу RS 232 с протоколом PPI. Для соединения может использоваться нуль-модемный кабель.

ВOP20 может не использоваться, если привод работает, например, только через PROFIBUS, а локальная индикация в шкафу не нужна. В этом случае ВOP20 может использоваться просто в целях пуско-наладки и для получения диагностической информации, тогда она монтируется в интерфейс RS 232 на блоке управления CU320. На индикаторной панели отображаются статусы работы, установки и актуальные значения, параметры, индексы, ошибки и аварийный сигналы.

Для работы панели ВOP20 необходимо внешнее питание 24 В (макс. потребляемая мощность 200 мA).

Выбор автоматического выключателя

Автоматический выключатель С60N и C32H-DC представляет собой компактный токоограничивающий коммутационный аппарат, оптимизированный для фидерных сборок. Автоматические выключатели используются для коммутации и защиты трехфазных двигателей до 45 кВт при AC 400 В, а также для других потребителей с номинальными токами до 100 A.

Автоматические выключатели С60N и C32H - DC фирмы SCHNEIDER устойчивы к климатическим воздействиям. Они предназначены для использования в закрытых помещениях, где нет осложняющих эксплуатационных условий (например, пыль, едкие пары, вредные газы). Для использования в пыльных и влажных помещениях следует предусматривать специальные меры защиты. Автоматические выключатели С60N и C32H - DC допускают ввод питания сверху или снизу.

Допустимые температуры окружающей среды, максимальная коммутационная способность, токи расцепления и другие граничные условия для применения приведены в технических данных и характеристиках расцепления.

Выбираю двухполюсный автоматический выключатель для защиты систем С60N, 6 А, Cc повышенной отключающей способностью. Для защиты двигателя выберу двухполюсный автоматический выключатель C32H - DC, 6 А, Cc повышенной отключающей способностью.

Выбор предохранителей для защиты установки

Выбираю плавкую вставку LVHRC с заказным номером 3NE4 337 800VAC с Iном = 710 А и Uном = 500 В.

Держатели для плавких вставок выбираю LVHRC с заказным номером 3NE1102.

Выбираю разъединитель-предохранитель 3KL6230-1AB02, 690VAC,
800A, 3/2.

2.4 Описание работы схемы электрической принципиальной

При замыкании автоматического выключателя QF1 3-х фазное напряжение, с частотой 50 Гц подаётся на клеммы фильтр-пакета А1 L1, L2, L3 и на блок питания G1. Питание с фильтр-пакета поступает на сетевой дроссель L1 на клеммы U2.1, V2.1, W2.1. С группы фильтров питание поступает на модуль питания шасси U1. Вплоть до модуля U1 подходит 3-фазное напряжение 380 В. Регулирование в сетевом модуле осуществляется с помощью IGBT-транзисторов с изолированным затвором. Вместе с сетевыми дросселями и согласованной структурой системы сетевые фильтры ограничивают кондуктивные помехи, создаваемые силовыми модулями.

Модуль U1 преобразователя выпрямляет 3-х фазное напряжение сети в постоянное для дальнейшего питания этим напряжением модуля двигателя U2 и для питания тормозного модуля А1.

Одновременно с питанием группы фильтров и модуля А3 преобразователя, осуществляется подача напряжения и на блок питания SitopModular - G1. Блок питания выпрямляет и преобразует 3-х фазное напряжение сети в постоянное напряжение 24 В. Выпрямленным напряжением 24 В мы питаем такие модули и устройства как:

- блок управления Control Unit CU320 (A8);

- модули питания двигателя U2 и питания шасси U1;

- панель оператора PanelOperatorBOP20 (В1).

Асинхронный двигатель K21F315L4 подключается к модулю преобразователя U1 и питается 3-х фазным напряжением 380 В через клеммы U1, V1, W1. Для питания двигателя используются силовые кабели
6FX5002 - 5CS41 - 0. Двигатель к модулю U2 подключен через автоматический выключатель QF5 марки С60N, 6 А, C. Модуль питания двигателя U2 преобразует высокое постоянное напряжение в переменное 3-х фазное, и является силовым устройством-преобразователем DC-AC. Управляющие сигналы, которыми непосредственно и управляются модули преобразователя, передаются по кабелям марки Drive - CliQ 6SL3060 - 4АA10 - 0AA0. Сигналы от блока управления CU320 поступают на модули А3 и А4 преобразователя. СU320 представляет собой центральный модуль управления, в котором осуществляются функции регулирования по замкнутому и разомкнутому циклу для сетевого модуля и моторного модуля. СU320 поддерживает связь через клеммы Х100, Х101, Х202, Х103.

В модуле двигателя расположены входы для датчика температуры и входные клеммы для безопасного останова BR+, BR- Управляющие сигналы поступают на клеммы Х200, Х201, Х202 SingleMotorModule.

С помощью операторной панели осуществляются пуско-наладочные работы, получение диагностической информации, ввод-вывод данных по управлению за техпроцессом.

Предохранители - разъединители FU защищает схему от коротких замыканий.

2.5 Анализ базовой системы управления электроприводом листоправильной машины с позиции реализации энергосберегающих алгоритмов управления

Система приводов Sinamics S120, которая применяется для управления летучими ножницами, предназначенная для решения широкого спектра задач в станко-и машиностроении. Большое количество различных аппаратных модулей и технологических функций позволяет находить оптимальное решение для любого промышленного применения. Преобразователи Sinamics S120 выпускаются в модификациях для индивидуального или багаторухового поводу. Пользователь может выбирать путем параметрирования любой закон регулирования - скалярный, векторный или серво, аппаратная часть при этом не изменяется. Диапазон номинальных мощностей преобразователей частоты Sinamics S120 составляет от 0,12 до 4500 кВт.

Sinamics предлагает решение следующих задач электропривода:

- для простых применений - насосов и вентиляторов;

- для требовательных индивидуальных приводов в центрифугах, прессах, экструдерах, транспортерах и подъемно-транспортных устройствах;

- в связанных приводах для текстильных машин, при производстве пленок и бумаги, а также в прокатных станах;

- для высокодинамичный сервоприводов станков, упаковочных и печатных машин.

В зависимости от сферы применения в рамках семейства Sinamics для каждой задачи существует оптимальная модель привода. Sinamics G предназначен для стандартных применений с асинхронными двигателями. Эти применения отличаются меньшими требованиями к динамике и точности регулирования скорости двигателя. Sinamics S позволяет выполнять управление синхронными и асинхронными двигателями и удовлетворяет самым высоким требованиям к следующему:

- динамики и точности регулирования;

- интеграции различных технологических функций в систему;

- управление поводу.

Приводы Sinamics S обеспечивают следующие законы управления:

- U / f-управление;

- векторное управление с наличием датчиков или без датчиков;

- сервоуправление.

Sinamics соответствует концепции общей платформы Totally Integrated Automation. Общие компоненты аппаратуры и программного обеспечения, а также унифицированные инструменты для компоновки, проектирования и ввода в эксплуатацию гарантируют высокую совместимость между всеми компонентами.

Из большого количества комбинированных друг с другом компонентов и функций пользователь может собрать соответствующую конкретной задаче оптимальную комбинацию. Эффективный инструмент проектирования SIZER облегчает определение и выбор оптимальной конфигурации привода. Sinamics S120 дополняется большим набором двигателей. Как синхронные, так и асинхронные двигатели поддерживаются Sinamics S120.

При употреблении Sinamics S120 в составе индивидуальных приводов система управления верхнего уровня управляет приводами таким образом, что возникает желаемый движение. Для этого нужен циклический обмен данными между системой управления и всеми приводами. В предыдущих моделях этот обмен осуществлялся по полевой шине с соответствующими затратами на монтаж и проектирование машин.

В этом отношении Sinamics S120 предлагает новое решение: центральный блок управления выполняет все функции регулирования для всех подключенных осей и дополнительно реализует технологические связи между приводами и между осями. Поскольку все необходимые сведения уже существуют в центральном блоке регулирования, они не должны дополнительно переноситься между приводами.

Блок регулировки Sinamics S120 решает только простые технологические задачи. Для требовательных технологических задач он дополняется свободно программируемыми модулями Simotion D.

Все компоненты Sinamics S120, связаны друг с другом посредством общего последовательного интерфейса DRIVE-CLiQ. Унифицированная техника соединений и стандартные разъемы снижают разнообразие техники и складские расходы. Для двигателей без интегрированного интерфейса DRIVE-CLiQ есть блоки преобразователей (модули датчиков) для преобразования сигналов обычных датчиков в DRIVE-CLiQ.

Таким образом, привод Sinamics S120 обладает широкими функциональными возможностями и характеризуется высоким уровнем автоматизации с возможностью интеграции в общую информационную сеть предприятия. Инвертор 6SL3720-1TE37-5AA0-Z имеет возможность реализовывать все прогрессивные современные способы управления асинхронным двигателем, включая векторное управление. Поставленная цель дипломного проекта - повышение энергетической эффективности листоправильной машины холодной правки стана 2300 - может быть реализована на базе существующей аппаратной базы системы управления электроприводом без необходимости ее совершенствования. Модернизация в таком случае будет касаться алгоритмической части, то есть система векторного управления должна работать так, чтобы учитывая изменчивость статического момента и момента инерции, рационально регулировать затраты энергии за счет изменения потокосцепления ротора. Для подтверждения верности этого утверждения проведем исследования энергозатрат при переменном статическом моменте и моменте инерции в базовой электромеханической системе.

2.6 Анализ работы электропривода листоправильной машины с базовой системой векторного управления на основе модели в подвижной системе координат (d - q)

Описание электропривода с векторной системой управления в системе координат (d - q)

Применение принципа векторного управления позволяет создавать высокодинамичные электромеханические системы широкого применения с практически любым нужным диапазоном регулирования скорости. Векторное управление, как правило, обеспечивает закон частотного управления. Нужны статические и динамические свойства электропривода достигаются путем использования распределительного регулирования механическими (момент, скорость) и магнитными (магнитный поток или потокосцепления) координатами. При векторном управлении учитывается взаимное положение обобщенных векторов электромагнитных величин.

В силовой схеме электроприводов с векторным управлением обычно используется преобразователь частоты на основе выпрямителя и инвертора напряжения (для небольших мощностей возможно также применение непосредственных преобразователей частоты), формирование выходного напряжения которого происходит с использованием принципа широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Функциональная схема системы векторного управления короткозамкнутым асинхронным двигателем (АД) для случая, когда все регулируемые координаты могут быть измерены, приведена на рисунке 49. Система имеет два канала управления: модулем вектора потокосцепления ротора и угловой скоростью ротора, каждый из каналов имеет по два контура регулирования.

Задача сигналов осуществляется в системе координат (d - q), ориентированной по вектору потокосцепления ротора, т.е..

На рисунке 2.28 введено следующие обозначения: НВ, ШИМ-ИН - неуправляемый выпрямитель и инвертор напряжения с ШИМ-коммутацией преобразователя частоты; АД - асинхронный двигатель; ДТ, ДПР, ТГ - датчики тока, потокосцепления ротора и скорости соответственно; ПК - преобразователи координат; ВА - векторный анализатор; БК - блок компенсации; РС, РП, РТd, РТq - регуляторы скорости, потокосцепления ротора, d- и q-составляющих тока статора соответственно; СО - задатчик интенсивности.

Преобразование сигналов к естественной трехфазной системы координат статора выполняется последовательно - путем использования преобразователей координат (ПК) 2-2 (сначала к неподвижной ортогональной системе координат a, b) и 2-3 (затем к неподвижной системы A, B, C).

Получение составляющих тока статора, который был измерен с помощью датчиков тока (ДТ), в системе координат (d - q) здийсняеться путем обратных преобразований. Регуляторы внутренних контуров регулирования составляющих тока статора обычно выполняются пропорционально-интегральными.

Путем применения датчиков Холла или измерительных обмоток выполняется измерение составляющих главного потокосцепления в системе координат A, B, C. Составляющие потокосцепления ротора исчисляются в датчике потокосцепления ротора (ДПР) по таким зависимостям (без учета коэффициента передачи датчиков Холла)

(2.69)

где,  - составляющие главного потокосцепления в системе координат (б - в) - предварительно вычисляются по аналогии с (2.57).

Выделение сигналов амплитуды и фазы вектора осуществляется в векторном анализаторе (ВА). Сигнал, пропорциональный к модулю вектора потокосцепления ротора, заводится на блок сравнения регулятора потокосцепления (РП) (который обычно выполняется ПИ-типа), а гармонические сигналы и принимают участие в преобразованиях координат 2-2 путем их заведении в соответствующие координатных преобразователей (ПК 2 - 2).

Измерение скорости вращения ротора АД выполняется с помощью датчика скорости или тахогенератора (ТГ), установленного на валу двигателя. Регулятор скорости (РС) обычно выполняется пропорциональным (П-типа) или пропорционально-интегральным (ПИ-типа), в зависимости от необходимости предоставления системе астатическим свойств. Блок деления на входе контура регулирования q-составляющей тока статора, является неотъемлемой и обязательной частью регулятора скорости, поскольку потокосцепления ротора входит в знаменателе дроби, определяющей коэффициент усиления регулятора скорости.

Сигналы с выходов регуляторов скорости (isqЗ) и потокосцепления (isdЗ) могут быть ограничены на соответствующих уровнях: ограничение isdЗ нужно для недопущения увеличения тока намагничивания больше его номинальное значение, ограничения же isqЗ - от появления недопустимо больших колебаний и устоявшихся значений электромагнитного момента двигателя.

Сигнал задания на скорость вращения ротора двигателя получаемая с помощью задатчик интенсивности (ЗИ), задачи на потокосцепления может быть организовано независимо (задачи конкретной желаемой величины потокосцепления ротора в однозонный системах) или в функции задания на скорость.

Динамические свойства рассматриваемой системы векторного управления становятся приемлемыми только при наличии блока компенсации (БК), который выполняет отделения каналов регулирования путем нейтрализации влияний внутренних обратных связей (ВЗЗ) АД. Эта компенсация выполняется (аналогично компенсации влияния противо - ЭДС двигателя в системах ЭП постоянного тока) путем заведения аналогичных сигналов с противоположным знаком на вход инвертора напряжения. Как правило, на практике компенсируются не все ВЗЗ, а лишь наиболее влиятельные, к числу которых относятся перекрестные ВЗЗ и противо-ЭДС двигателя. Вообще, свойства системы векторного управления АД будут тем более качественными, чем большее количество существующих ВЗЗ зкомпенсовано.

Следует отметить, что, в отличие от рассмотренного средства (условно ему предоставим название непосредственной компенсации), компенсация ВЗЗ может быть выполнена в соответствии с так называемого принципа упреждающего управления, сущность которого заключается в том, что в блок компенсации (БК) заводятся не сигнал с датчиков нужных величин, а соответствующие сигналы задания из системы управления.

Своеобразным недостатком векторного управления с ориентацией по вектору потокосцепления (в нашем случае - ротора) является необходимость как можно более точного измерения или оценки амплитудной величины и углового положения этого вектора. Ограничения и недостатки, связанные с измерением потокосцепления (как с помощью датчиков Холла, так и измерительных обмоток) [8, 9], приводят к тому, что чаще всего для определения потока используют математические модели или наблюдатели состояния.

Все рассмотренное является абсолютно правомерным при организации при необходимости в системе векторного управления короткозамкнутым АД законов частотного управления или, и (с учетом особенностей регулирования и измерения) в случае аналогичного управления АД с фазным ротором со стороны ротора. Система управления будет иметь подобную структуру, но несколько усложненную по причине большего количества ВЗЗ двигателя, которые нужно компенсировать [10, 11].

Общими недостатками систем векторного управления является сложность управляющих и функциональных устройств при преобразовании координат и фаз, а также выполнения компенсационных связей при широком диапазоне регулирования скорости и нагрузке электропривода.

Упрощенная функциональная схема электропривода с векторной системой управления в системе координат (d - q)

Для построения модели электропривода с векторной системой управления используем полученную ранее модель асинхронного двигателя в системе координат (d - q).

Упрощенная функциональная схема системы, предназначенная для определения структуры и параметров регуляторов и для расчета переходных процессов, приведена на рисунке 2.37. Схема построена с использованием математического описания ненасыщенного асинхронного двигателя для электропривода с датчиками тока и скорости.

На рисунке 2.37 введены следующие обозначения: ЗИС - задатчик интенсивности изменение скорости; ЗИП - задатчик интенсивности изменение потокосцепления; РС - регулятор скорости, который принимает на вход рассогласование между заданным значением скорости и сигналом по скорости с выхода системы, на выходе - формирует задания по моменту ; РП - регулятор потокосцепления, на вход которого поступает рассогласование между заданным и имеющимся (рассчитанным) потокосцепления, на выходе регулятор формирует задания по току статора в проекции на ось d; РМ - регулятор момента, что получает на входе рассогласование между и имеющимся (рассчитанным) значению момента, на выходе он образует задачи по току статора в проекции на ось q; РСd - регулятор тока по оси d, на выходе формирует задачи по напряжению для преобразователя частоты; РТq - регулятор тока по оси q, на выходе формирует задачи по напряжению для преобразователя частоты; ДТА - датчик тока фазы А; ДТВ - датчик тока фазы В; ДТС - датчик тока фазы С; АД - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором; ТГ - тахогенератор (датчик скорости).

Преобразователь частоты характеризуется коэффициентом передачи по напряжению и чистым запаздыванием на некоторое время, которое определяется периодом ШИМ инвертора. Для упрощения расчетов считается, что токи,, , следовательно, и и измеряются безинерционными датчиками тока с некоторым коэффициентом передачи. .Считается также, что величины М и потокосцепления ротора, которые определяются по модели, точно воспроизводят реальный электромагнитный момент двигателя и потокосцепления ротора в масштабах, заданных коэффициентами обратных связей и соответственно. Датчик скорости имеет коэффициент передачи. При моделировании будем рассматривать контуры регулирования тока по каналам потокосцепления и скорости, а также контур регулирования потокосцепления, контур регулирования момента и контур регулирования скорости.

Структурная схема электропривода с векторной системой управления в системе координат (d - q) и настройки ее контуров регулирования

Для построения структурной схемы электропривода с векторной системой управления в системе координат (d - q) воспользуемся приведенной в предыдущем пункте функциональной схеме (рисунок 2.28), структурной схемой асинхронного двигателя в системе координат (d - q), показанной на рисунке 2.17, и структурной схемой двохмасовой математической модели (рисунок 2.24). Такая структурная схема будет учитывать жесткость вала, передающего вращение от двигателя к редуктору. Кроме того, на этой структурной схеме считается, поскольку двигатель имеет короткозамкнутый ротор (рисунок 2.29).

Рассмотрим настройки контуров регулирования и расчет динамических характеристик в системе векторного управления скоростью асинхронного двигателя.

Структурная схема контура тока без учета перекрестных связей показана на рисунке 2.30. Настройка выполним без учета влияния перекрестных связей.

Рисунок 2.30 Структурная схема контура тока по оси d

При заданной частоте ШИМ, значение чистого опоздания преобразователя частоты составляет значение, обратно пропорциональное частоте широтно-импульсной модуляции. В зоне частот, где фазочастотных характеристика звена чистого запаздывания близка к фазочастотных характеристики апериодического звена с постоянной времени.

Передаточная функция разомкнутого контура тока статора по оси d записывается в виде

, (2.70)

где  - коэффициент передачи частотного преобразователя;

- постоянная времени частотного преобразователя;

- коэффициент передачи датчика тока;

- передаточная функция регулятора тока по осью d;

, - рассчитаны в пунктах 2.2 и 2.3 параметры двигателя.

Во время расчётов параметров регулятора тока можно наименьшую некомпенсированую постоянную времени принять равной. Исходя из настройки контура на модульный оптимум, регулятор будет компенсировать часть объекта.

. (2.71)

Тогда передаточная функция регулятора может быть определена следующим образом

. (2.72)

Получим пропорционально-интегральный регулятор тока (ПИ-регулятор). Из расчетов, проведенных в пункте 2.3 следует, что ( с, а  с), поэтому в контуре регулирования тока по оси q можно применить такой же ПИ-регулятор (2.31).

Рассмотрим контур регулирования потокосцепления ротора. Для него контур регулирования тока по оси d будет внутренним. Передаточная функция замкнутого контура тока, настроенного на модульный оптимум, может быть представлена в виде колебательной звена с такой передаточной функцией

. (2.73)

Структурная схема контура регулирования потокосцепления ротора приведена на рисунке 2.32

Рисунок 2.32 - Структурная схема контура потокосцепления

Для расчета параметров регулятора в контуре, содержащем подчиненный замкнутый контур (в данном случае - контур тока статора по оси d), рекомендуется рассматривать его как апериодическую звено с эквивалентной малой постоянной времени, равной удвоенной малой постоянной времени подчиненного контура. Если внутренний контур имел малую некомпенсированную постоянную времени , то внешний кметь .

Исходя из настройки контура на модульный оптимум, регулятор будет компенсировать часть объекта

. (2.74)

Тогда передаточная функция регулятора потокосцепления может быть определена следующим образом

. (2.75)

Таким образом, исходя из формулы (2.75), регулятор потокосцепления также будет пропорционально-интегральным.

Настроим контур регулирования электромагнитного момента двигателя. Считая, что в системе установлено номинальное потокосцепления, упростим структурную схему, заменив нелинейные блоки в канале регулирования скорости коэффициентами с множителями, равными установленном потокосцепления. Упрощенная структурная схема приведена на рисунке 2.32. Исходя из нее, контур момента можно представить в виде, показанном на рисунке 2.33. По аналогии с формулой (2.73) замкнутый контур тока по оси q можно представить в виде

. (2.76)

Объект контура момента (рисунок 2.33) не имеет больших постоянных времени. Его передаточная функция будет иметь вид

. (2.77)

Так как в контуре потокосцепления, некомпенсированная постоянная времени контура момента состав и . Для настройки контура, не имеющего больших постоянных времени, следует применить интегральный регулятор с передаточной функцией

, (2.78)

где  - динамический коэффициент регулятора момента, может быть рассчитан следующим образом

. (2.79)

Рисунок 2.33 - Структурная схема контура момента

Тогда передаточная функция регулятора момента будет такой

. (2.80)

Выполним настройку контура скорости. Объект регулирования для этого контура будет иметь интегрирующие свойства, поэтому для настройки применим ПИ-регулятор с такой передаточной функцией

, (2.81)

где  - постоянная времени регулятора скорости;

- динамический коэффициент регулирования скорости, может быть рассчитанный следующим образом

. (2.82)

Откуда

, (2.83)

Расчет коэффициентов регуляторов тока, потокосцепления ротора, момента и скорости

Используя формулу (2.72) и данные из таблицы 2.8, определим коэффициенты регуляторов тока по оси d и по оси q

.

По формуле (2.75) находим коэффициенты регулятора потокосцепления

.

Рассчитаем динамический коэффициент регулятора момента по формуле (2.79)

.

Тогда регулятор момента будет иметь передаточную функцию

.

Динамический коэффициент регулятора скорости

.

Исходные данные, необходимые для расчета коэффициентов регуляторов для наглядности занесены в таблицу 2.8 (большинство из них определена в пункте 2.3).


Подобные документы

  • Функциональная и структурная схемы скалярного и векторного управления электроприводом. Определение статических и динамических параметров элементов силовой части и системы управления электроприводом. Определение параметров регуляторов тока и скорости.

    курсовая работа [2,0 M], добавлен 06.01.2014

  • Характеристика сортамента цеха. Определение производительности стана 1700 ПХЛ ОАО "Северсталь". Основные транспортные потоки. Конструкция листоправильной машины. Уборочное устройство обрези. Реконструкция петлевого устройства и привода канатных барабанов.

    дипломная работа [688,4 K], добавлен 16.05.2017

  • Требования к системе управления электроприводом. Выбор принципиальной схемы главных цепей. Сравнение возможных вариантов и выбор способа управления. Математическое описание объекта управления. Анализ статических и динамических характеристик системы.

    курсовая работа [2,6 M], добавлен 30.04.2012

  • Технологическая схема производства проката. Расчет часовой производительности и загрузки формовочного стана, годового объема производства труб. Расчет массы рулона. Выбор вспомогательного оборудования. Устройство и принцип работы листоправильной машины.

    курсовая работа [1,3 M], добавлен 12.03.2015

  • Определение понятий статического момента и момента инерции, действующих на валу главного привода. Расчет и построение механических и электромеханических характеристик двигателя. Расход электроэнергии за сутки, среднесуточный КПД и коэффициент мощности.

    курсовая работа [2,3 M], добавлен 20.03.2012

  • Расчет механической характеристики сепаратора, приведённого к валу двигателя момента инерции рабочей машины. Определение время пуска и торможения электропривода, активной и реактивной мощности потребляемой из сети. Выбор аппаратуры управления и защиты.

    курсовая работа [868,0 K], добавлен 19.03.2015

  • Устройство и условное изображение синхронной трехфазной машины. Расположение полюсов магнитного поля статора и ротора. Зависимость электромагнитного момента синхронной машины от угла. схема включения синхронного двигателя при динамическом торможении.

    реферат [347,0 K], добавлен 10.06.2010

  • Принцип работы системы привода транспортной машины. Выбор дистанционного датчика температуры, усилителя, электромеханического преобразователя сигнала. Функции звеньев системы. Переходный процесс скорректированной системы автоматического управления.

    курсовая работа [1,7 M], добавлен 17.02.2014

  • Расчет требуемого момента двигателя при подъеме и спуске груза с установившейся скоростью. Ознакомление с кинематической схемой грузоподъемной лебедки. Определение и анализ величины тормозного момента двигателя, необходимого для остановки станка.

    контрольная работа [1,1 M], добавлен 03.11.2022

  • Характеристика марки прокатываемого металла и технологического процесса прокатки. Характеристика механизмов клетей: расчет мощности двигателя, выбор электрооборудования, защита электропривода. Разработка и реализация системы управления электроприводом.

    курсовая работа [4,0 M], добавлен 03.04.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.