Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
5
Зміст
Вступ…………………..……..……………………………….……………….6
1. Способи керування швидкістю асинхронного двигуна…………………7
2. Розрахунок параметрів асинхронного двигуна за даними каталогу …...9
3. Дослідження динамічної характеристики методом математичного моделювання………………………………………………………………....13
3.1 Виконання стандартного тесту…………………………………..13
3.2 Дослідження динамічних та енергетичних при варіаціях активного опору роторного кола..……………………………….…..17
3.3 Дослідження динамічних характеристик при нульовій заданій швидкості ………………………...……………………………….…..27
4. Практична реалізація систем векторного керування.…………………..30
Список використаної літератури………………………………….....……..36
Висновки……………………………………………………………………..37
Вступ
В наш час керований електропривод змінного струму є найбільш надійним і економічно доцільним способом перетворення електричної енергії в механічну. Розвиток мікроелектроніки, силової перетворювальної техніки, мікроконтролерів і застосування теорії векторного керування надають потужний імпульс для більш широкого впровадження регульованого електроприводу в багатьох галузях промисловості. Найчисленнішою групою являється частотно-керований електропривод з асинхронним двигуном з короткозамкненим ротором в якості базової машини. Проте при необхідності забезпечення високоточного позиціювання та жорстких вимог до перехідних процесів доцільно застосовувати більш складні – векторні методи керування. Хоча ці системи більш дорогі, проте вони дають змогу працювати в будь якій точці площини механічних характеристик, де двигун не входить в обмеження по напрузі та максимальному струму, що обмежується класом ізоляції.
РОЗДІЛ 1: СПОСОБИ КЕРУВАННЯ АСИНХРОННИМ ДВИГУНОМ
Для зміни моменту двигуна і відповідно для керування швидкістю існують наступні способи:
1. Зміна напруги статора U1
Перевагою даного способу керування є можливість плавної зміни швидкості. Недоліком є суттєве зменшення перевантажувальної здатності двигуна пропорційно квадрата напруги та зниження жорсткості механічних характеристик, тобто збільшення ковзання двигуна. Це призводить до підвищення втрат у колі ротора пропорційно ковзанню
,
тому цей спосіб використовується при невеликому діапазоні керування швидкості в межах 1,5-2, а також для запуску механізмів та короткочасного зниження швидкості. Цей спосіб керування швидкості якнайкраще підходить для струминних механізмів (вентиляторів, насосів тощо), момент опору яких залежить від квадрата швидкості.
2. Зміна частоти напруги статора f1, в тому числі одночасно зі зміною напруги статора U1
Його перевагою є плавна зміна швидкості від нуля і до максимальної (номінальної) при незмінній жорсткості механічних характеристик та перевантажувальної здатності двигуна. Діапазон керування складає 5-10 для розімкнутих систем та 1000 і більше для замкнених. Він називається “керування в першій зоні з постійним моментом двигуна”. Недолік полягає у відносній складності та високій вартості перетворювача частоти, а також у коливаннях моменту двигуна під час перехідних процесів, бо магнітний потік змінюється.
3. Зміна активного електричного опору кола ротора R’2 (тільки для двигунів із фазним ротором)
Перевагою способу є простота його реалізації та підвищення пускового моменту двигуна, який приймає максимальне значення при критичному ковзанні sк =1. Недоліки полягають у керуванні швидкістю ступінчато, зменшенні жорсткості механічних характеристик, що призводить до різкого збільшення втрат у колі ротора пропорційно ковзанню та до чутливості зміни навантаження. Це обмежує діапазон керування.
4. Зміна числа пар полюсів p (тільки для спеціальних полюсоперемикаємих двигунів)
Перевагою способу є простота реалізації, незмінна та висока жорсткість механічних характеристик, висока економічність та надійність. Недоліком є зміна швидкості тільки ступінчато та невеликий діапазон керування швидкістю, який визначається кількістю переключаємих полюсів. Двигуни мають підвищені габарити та вартість.
5. Використання енергії ковзання за допомогою спеціальних каскадних схем (тільки для двигунів із фазним ротором)
Перевагою цього каскаду є висока економічність, висока плавність керування та жорсткість характеристик, яка поступається тільки частотному керуванню. Недолік полягає у великій установленій потужності двигуна постійного струму, яка залежить від діапазону керування швидкістю.
6. Подвійне живлення двигуна (тільки для двигунів із фазним ротором)
Недоліком є необхідність перед початком керування здійснювати пуск двигуна до найменшої швидкості. Цей недолік не має суттєвого значення для механізмів, які рідко запускаються.
7. Зміна електричного опору кола статора R1 (в основному для двигунів із короткозамкненим ротором)
Цей спосіб керування застосовується дуже рідко для двигунів із короткозамкненим ротором при відсутності інших засобів зменшити швидкість. Спосіб дуже неекономічний, тому використовується для короткочасної зміни швидкості.
РОЗДІЛ 2: РОЗРАХУНОК НОМІНАЛЬНИХ ДАНИХ ДВИГУНА
Для заданого АД розрахуємо параметри номінального режиму та параметри схеми заміщення. Вихідні дані для розрахунку параметрів зведені до таблиці 2.1.
Таблиця 2.1. Паспортні дані двигуна 4A90L6У3
|
Номінальна потужність |
|
|
Номінальна лінійна напруга статора |
|
|
Число пар полюсів |
|
|
Момент інерції |
|
|
Коефіцієнт корисної дії |
|
|
Коефіцієнт потужності |
|
|
Номінальне ковзання |
|
|
Номінальна частота напруги статора |
|
|
Параметри Г-подібної схеми заміщення (відносні одиниці) |
|
|
Індуктивний опір розсіювання статора |
|
|
Активний опір статора |
|
|
Приведений індуктивний опір розсіювання ротора |
|
|
Приведений активний опір ротора |
|
|
Індуктивний опір намагнічуючого контуру |
Розрахуємо параметри номінального режиму двигуна.
Кутова швидкість
рад/с.
Швидкість ідеального x.x.
рад/с.
Номінальна швидкість двигуна
рад/с.
Номінальний момент двигуна
Нм.
Номінальна фазна напруга
В.
Номінальне діюче значення фазного струму статора
А
Номінальний потік
Вб.
Розрахунок параметрів Т-подібної схеми заміщення.
Рис.2.1. Т-подібна схема заміщення.
Рис.2.2. Г-подібна схема заміщення АД.
Коефіцієнт перерахунку між Т-подібною та Г-подібною схемами заміщення
Параметри Т-подібної схеми заміщення у відносних одиницях
Параметри Т-подібної схеми заміщення в абсолютних одиницях запишуться
Індуктивності розсіювання статора і ротора
Індуктивність намагнічуючого контуру
Індуктивності статора і ротора
Розрахунок коефіцієнтів:
РОЗДІЛ 3: ДОСЛІДЖЕННЯ ДИНАМІЧНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ
3.1 Виконання стандартного тесту
При виконанні дослідження динамічної поведінки при векторному керуванні АД використовується наступна послідовність операцій керування. Збудження машини. Після завершення збудження починається розгін на таку швидкість, щоб двигун не входив в обмеження по напрузі, за час при якому динамічний момент не перевищує номінальний. Після розгону через деякий час до валу прикладається момент навантаження який дорівнює номінальному моменту двигуна, та через час 1с знімається. Далі виконуємо гальмування по траєкторії зворотній до траєкторії розгону. Під час гальмування динамічний момент не вище номінального. Динамічні характеристики, отримані методом математичного моделювання, при виконанні стандартного тесту зображені на рисунках 3.1.1-3.1.3.
Рисунок 3.1.1 Динамічні характеристики при виконанні стандартного тесту
Рисунок 3.1.2 Динамічні характеристики при виконанні стандартного тесту
Рисунок 3.1.3 Динамічні характеристики при виконанні стандартного тесту
Як можна побачити з графіків, отриманні данні відповідають теорії векторного керування електроприводом. Використаний алгоритм керування дозволяє відпрацьовувати задану швидкість практично без статичної похибки. Спостерігалася незначна динамічна похибка при розгоні (2 Рад/с) та накидані моменту (8 Рад/с) навантаження.
3.2 Дослідження динамічних та енергетичних при варіаціях активного опору роторного кола
Динамічні та енергетичні характеристики, отримані математичним моделюванням, дослідження при варіаціях активного опору роторного опору, від 0,5*R2н до 2* R2н з кроком 0,25, зображено на рисунках 3.2.1 – 3.2.7 відповідно. Для виконання даного тесту двигун необхідно розігнати на швидкість 20% від номінальної (ω*уст=0,2*ωн) і прикласти номінальний момент навантаження (Мс=Мн=15.303 Н*м).
Рисунок 3.2.1 – Динамічні та енергетичні характеристики при
Рисунок 3.2.2 – Динамічні та енергетичні характеристики при
Рисунок 3.2.3 – Динамічні та енергетичні характеристики при
Рисунок 3.2.4 – Динамічні та енергетичні характеристики при
Рисунок 3.2.5 – Динамічні та енергетичні характеристики при
Рисунок 3.2.6 – Динамічні та енергетичні характеристики при
Рисунок 3.2.7 – Динамічні та енергетичні характеристики при
Графік зміни активної енергії при варіації активного опору роторного опору зображено на рисунку 3.2.8.
Рисунок 3.2.8 – Зміна активної енергії при варіації активного опору роторного опору
З представлених графіків (рисунки 3.2.1 – 3.2.9) видно, що при збільшенні активного опору роторного кола активна потужність спочатку падає, а після номінального значення опору роторного кола починає зростати. Похибка відпрацювання кутової швидкості та потокозчеплення в момент накидання моменту навантаження при опорі має коливальний характер, а при інших опрах мають стрибкоподібний характер. Величина похибки відпрацювання кутової швидкості практично спочатку зменшується, а потім практично не змінюється. Потокозчеплення при накиданні моменту навантаження не перевищує задане значення, похибка відпрацювання потокозчеплення зменшується. Також всі перехідні процеси при опорах більших мають стрибкоподібний характер.
3.3 Дослідження динамічних характеристик при нульовій заданій швидкості
Динамічні характеристики, отримані математичним моделюванням, дослідження динамічних характеристик при нульовій заданій швидкості (ω*(t)=0) зображені на рисунках 3.3.1-3.3.3.
Рисунок 3.3.1 Динамічні характеристики при ω*(t)=0
Рисунок 3.3.2 Динамічні характеристики при ω*(t)=0
Рисунок 3.3.3 Динамічні характеристики при ω*(t)=0
З представлених рисунків бачимо, що при накиданні моменту навантаження динамічна похибка відпрацювання швидкості складає максимум 7 рад/с., а струми іа та іb мають синусоїдальну форму, що відповідає теорії. При ненавантаженому двигуні споживається потужність рівна 50 Вт, яка витрачається на підмагнічування двигуна. Двигун витримує номінальне навантаження на нульовій швидкості, в даному випадку маємо ідеальне поле орієнтування, так як поле орієнтування по осі q майже дорівнює нулю (ψq≈0).
РОЗДІЛ 4: ПРАКТИЧНА РЕАЛІЗАЦІЯ СИСТЕМ ВЕКТОРНОГО КЕРУВАННЯ
Розробимо функціональну схему асинхронного електроприводу, визначимо елементи з яких вона буде складатися.
Типова функціональна схема сучасного електроприводу змінного струму, побудованого на основі перетворювача частоти з ланкою постійного струму показана на першому аркуші А1. Як видно з рисунку, основу асинхронного електроприводу складає перетворювач частоти, який поєднує в собі перетворювальний та керуючий пристрій з класичного визначення електроприводу. З цієї причини, досить часто перетворювачі частоти називають електроприводами, хоча в загальному випадку це некоректно.
Стандартно перетворювач розділяють на дві основні складові: силова частина, до якої входять вхідний фільтр, некерований випрямляч, зарядне коло, ємність фільтру випрямляча, клампер, датчик напруги ланки постійного струму, інвертор, датчики вихідного струму, схеми драйверів та гальванічної розв’язки сигналів керування ключами інвертора і клампера, блок живлення; керуючий контроллер, до якого входять власне цифровий контроллер, який, як правило, базується на цифровому сигнальному процесорі, та схеми узгодження сигналів.
Розглянемо більш детально призначення основних модулів та елементів показаних на рисунку.
Фільтр – як правило складається з двох основних складових: варисторів для запобігання перенапругам в ланці постійного струму внаслідок сплесків напруги мережі живлення, та фільтру радіоперешкод, який запобігає розповсюдженню в мережу живлення високочастотних перешкод, які виникають при комутації ключів інвертора.
Випрямляч – перетворює змінну напругу мережі живлення в постійну напругу ланки постійного струму Udc .
Ємність С – фільтр, призначений для згладжування випрямленої напруги на виході випрямляча.
Зарядне коло (резистор Rз та реле К1) – забезпечують плавний заряд ємності фільтру випрямляча С при подачі живлення на перетворювач. Після закінчення заряду контакт реле К1.1 замикається.
Клампер – призначений для стабілізації напруги в ланці постійного струму при генераторних режимах роботи двигуна, які супроводжуються рекуперацією енергії в ланку постійного струму.
Датчик напруги – призначений для передачі в керуючий контроллер інформації про напругу ланки постійного струму Udc , де вона використовується для забезпечення захисних функцій, контролю заряду ємності фільтру випрямляча, а також для генерування імпульсів керування ключами інвертора по законам широтно-імпульсної модуляції (ШІМ).
Інвертор – перетворює постійну напругу ланки постійного струму у задану трифазну напругу на виході перетворювача, результуючий вектор якої (усереднений на періоді ШІМ) має заданий модуль, частоту та кутове положення.
Датчики струму ДС1, ДС2 – призначені для передачі в керуючий
контроллер інформації про фазні струми двигуна, де вона використовується для організації захисних функцій інвертора та двигуна, а також для організації зворотних зв’язків в системах векторного керування.
Датчик швидкості – призначений для вимірювання контролером кутової швидкості (положення) з метою організації зворотних зв’язків та захисних функцій.
Драйвери – перетворюють параметри імпульсів керування силовими ключами, які надходять від контроллера, з метою забезпечення надійного відкриття та запирання IGBT ключів. Фактично драйвери можна розглядати як підсилювачі сигналів. Досить часто драйвери додатково забезпечують захист від струмів короткого замикання інвертора.
Опторозв’язка – забезпечує гальванічну розв’язка дискретних сигналів керування з метою підвищення завадозахищеності керуючого контроллера, а також для запобігання виходу його з ладу при аварійних режимах в силовій частині. Виконується за допомогою оптопар, або оптоволоконних ліній зв’язку у перетворювачах великої потужності.
Керуючий контроллер – виконує всі функції автоматизації перетворювача, отримання завдання на регульовані координати, розраховує алгоритм керування двигуном, генерує імпульси керування ключами, реалізує захисні функції, здійснює комунікації з системами верхнього рівня.
Схеми узгодження рівнів сигналів та фільтрації – необхідна для приведення рівнів сигналів, які отримуються від датчиків струму та напруги до рівнів допустимої вхідної напруги аналого-цифрового перетворювача керуючого контроллера. Фільтрація може застосовуватися для підвищення завадостійкості системи керування.
Інтерфейс датчика швидкості – дозволяє підключати до контроллера фото імпульсні датчики з різними типами апаратних інтерфейсів. Як правило містить гальванічну розв’язку.
Блок живлення – пристрій який забезпечує живлення власних потреб перетворювача: живлення контроллера, драйверів, зовнішні +10 В та +24 В, живлення датчиків та ін. В сучасних перетворювачах вхідна напруга для блоку живлення власних потреб береться від ланки постійного струму, що забезпечує безпечну зупинку системи при зникненні напруги мережі живлення.
Зовнішні термінали – служать для підключення до перетворювача дискретних входів/виходів (наприклад сигналів керування перетворювачем «Пуск», «Стоп», «Реверс», інших), аналогових входів/виходів (наприклад завдання швидкості, зворотного зв’язку за технологічним параметром та інших).
Панель оператора – призначена для налаштування параметрів системи, подачі команд перетворювача та завдання на регульовану величину в ручному режимі, спостереження за контрольними величинами та діагностики.
Додаткові входи виходи – призначені для керування додатковими системами, наприклад для включення вентиляторів системи охолодження, контролю спрацювання зарядного реле та ін.
Для заданого АД розрахуємо параметри силової частини перетворювача. Вихідні дані для розрахунку параметрів зведені до таблиці 4.
Таблиця 4. Паспортні дані двигуна 4A90L6У3
|
Номінальна потужність |
|
|
Номінальна лінійна напруга статора |
|
|
Число пар полюсів |
|
|
Момент інерції |
|
|
Коефіцієнт корисної дії |
|
|
Коефіцієнт потужності |
|
|
Номінальне ковзання |
|
|
Номінальна частота напруги статора |
Номінальна фазна напруга
В.
Номінальне діюче значення фазного струму статора
А
Амплітудні значення фазної напруги і струму статора
В.
А
Прийнявши перевантажувальну здатність для привода вентилятора
, розрахуємо максимальний струм на виході перетворювача
А.
При живленні перетворювача від трифазної мережі живлення
В, напруга в ланці постійного струму при ідеальній фільтрації буде приблизно рівною
В.
При виборі IGBT для автономних інверторів напруги їх максимально-допустима напруга колектор-емітер має бути мінімум в1.5 раз ів вищою, ніж
максимальна напруга в ланці постійного струму, тобто
В.
Максимальна напруга в ланці постійного струму сучасних
перетворювачів визначається допустимою напругою встановлених
електролітичних конденсаторів фільтру, і складає приблизно 750 В для
перетворювачів з трифазним живленням 380В та 375В і перетворювачів з однофазним живленням 220В.
Таким чином
В.
Вибираємо по каталогу [4] IGBT модуль типу FP10R12W1T4 з параметрами
В,
А.
Ємність випрямляча визначається за формулою
де коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги, який для перетворювачів
частоти вибирають в діапазоні =0.02… 0.05 , m – число фаз випрямляча, f – частота напруги мережі живлення, – еквівалентний опір навантаження
ланки постійного струму.
Для визначення розрахуємо значення струму ланки постійного струму
з врахуванням перевантаження
A,
де =0.95… 0.97 – коефіцієнт корисної дії інвертора напруги.
Тоді еквівалентний опір навантаження розраховується як
Ом
Розрахункове значення ємності фільтра для =0.04 буде дорівнювати
мкФ.
Вибираємо по каталогу [6] конденсатор типу B43541A7277M062 ємністю C=270 мкФ та максимальною напругою 550 В. При цьому сумарна ємність буде
мкФ.
Вибір датчиків струму здійснюють за максимальний струмом, який
необхідно вимірювати, тобто щоб вимірюваний діапазон датчика був більшим від максимально допустимого струму в системі. Для вимірювання струмів на виході перетворювача для вибору використовують значення максимального струму(4.1).
Якщо для керування координатами двигуна використовуються методи,
які не потребують організації зворотних зв’язків за струмом, а вимірювання
струму здійснюється лише для захисту системи, то для здешевлення
перетворювача датчики на виході інвертора можна не встановлювати і
обмежитися лише датчиком струму в ланці постійного струму.
Вибір датчика струму може бути здійснений на сайті[1]. Оскільки в
розглянутому прикладі достатньо обмежитися датчиком струму в ланці
постійного струму, то по розрахованому значенню вибираємо датчик типу HY 5-P, номінальний струм якого складає 5А, діапазон вимірювання 15А.
Канал вимірювання напруги ланки постійного струму може бути
побудований з використанням датчика типуLV-25NP [1].
В документації на датчик вказано, що максимальний струм первинного
кола Ipmax=15мА. Тому значення опору резистора R1 дорівнює:
Ом.
Зі стандартного ряду резисторів вибираємоR1=56 кОм
Висновки
У даному курсовому проекті зроблено розрахунок параметрів асинхронного двигуна, отримано динамічні характеристики методом математичного моделювання, для режимів номінального навантаження. Використаний алгоритм керування дозволяє відпрацьовувати задану швидкість без статичної похибки. Спостерігалася незначна динамічна похибка при розгоні та накидані моменту навантаження. Також був зроблений тест при роботі на нульовій заданій швидкості, даний алгоритм векторного керування дозволив відпрацьовувати заданий момент навантаження при номінальному струмі. Зняті динамічні та енергетичні характеристики при варіаціях активного роторного опору, з яких видно, що при збільшенні активного опору роторного кола збільшується активна потужність. Похибки відпрацювання кутової швидкості та потокозчеплення в момент накидання моменту навантаження мають стрибкоподібний характер, та величина цих похибок збільшується. Потокозчеплення при накиданні моменту навантаження не перевищує задане значення. Похибка відпрацювання кутової швидкості не змінюється. Розроблено функціональну схему асинхронного електроприводу, з використанням сучасних елементів та датчиків.
Реалізація алгоритмів векторного керування зараз дуже актуальна, дозволяє підвищити точність регулювання, та розширити діапазон регулювання. В багатьох розвинених країнах цей метод керування є домінуючим. Найбільш вагомий внесок у розробку теорії та алгоритмів векторного керування АД внесли F. Blaschke, P. Vas, D.W. Novatny, Т.A. Lipo, K. Rajashekara, K. Matsuse, Z. Krzeminski; в Россії – Д.Б. Ізосимов, В.І. Уткін; в Україні – С.М. Пересада.
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ