Курсовая работа: Автоматизированный электропривод центрифуги

Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна.

Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1: 1000 и выше, точность регулирования по скорости - сотые доли процента, точность по моменту - единицы процентов.

Преобразователь частоты - это устройство, предназначенное для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты.

Выходная частота в современных преобразователях может изменяться в широком диапазоне и быть как выше, так и ниже частоты питающей сети.

Схема любого преобразователя частоты состоит из силовой и управляющей частей. Силовая часть преобразователей обычно выполнена на тиристорах или транзисторах, которые работают в режиме электронных ключей. Управляющая часть выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

Преобразователи частоты, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса:

Преобразователи частоты с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.

Преобразователи частоты с непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока).

Преобразователи частоты на тиристорах в настоящее время занимают доминирующее положение в высоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатт и до десятков мегаватт с выходным напряжением 3 - 10 кВ и выше. Однако их цена на один кВт выходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей.

Для нашей схемы мы выбрали частотный привод марки ПСТ

Преобразователи частоты серии ПСТ предназначены для управления скоростью вращения трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором мощностью от 0.75 до 250 кВт с питанием от сети переменного тока напряжением 380В частотой 50 Гц.

Характеристики:

Параметр  Значение

Напряжение питания   трехфазное 380 В±15%, 50 Гц

Диапазон мощностей   0.75-280 кВт

Диапазон выходной частоты         0-400 Гц

Точность управления  Цифровая настройка: 0.01 Гц, аналоговая настройка: максимальная точность 0.4 Гц

Тип управления  Векторный контроль, скалярное управление (U/F)

Функции защиты                   Защита от обрыва фазы, пониженного напряжения, перегрузок по току и напряжению, генераторного перенапряжения, перегрева.

Основные функции:

2 вольтчастотные (U/F) характеристики: линейная и квадратичная (для нагрузки с вентиляторным моментом на валу);

Возможность задания собственной вольт-частотной характеристики

Автоматическая настройка напряжения

Динамическое торможение постоянным током

Встроенный ПИД регулятор

Автоматическое управление (возможность программирования выходной частоты согласно потребностям технологического процесса)

Возможность пропуска резонансной частоты (необходимо для исключения скоростей приводящих к механическому резонансу)

Автоматический подхват вращающегося двигателя

Возможность подключения к компьютеру

Входы\выходы:

2 аналоговых входа (0 ~ 10 В, 2 ~ 20 мА)

8 программируемых входов управления

1 релейный и 2 колекторных выхода

1 аналоговый выход

Устройства плавного пуска

Для нашей схемы мы выбрали частотный привод марки ПТ2Б-30

Устройства серии ПТ2Б представляют собой универсальные системы плавного пуска трёхфазных асинхронных двигателей мощностью от 5,5 до 400 кВт.

Достоинства:

Защита от пропадания фазы, перегрузки, короткого замыкания, перегрева

Возможность подключения к компьютеру через интерфейс RS485

Простота установки и подключения

Простая настройка через цифровую панель

Ограничения пускового тока заданным уровнем

Режим толчкового пуска

Характеристики:

Напряжение питания: 380 В ±20%, 50 Гц

Номинальный ток: 12 ~ 630 А

Мощность управляемого двигателя: 5.5 ~ 400 кВт

Пуск: ограничение пускового тока (1Iн - 4Iн), время плавного пуска (1-60 секунд)

Остановка: свободная остановка, время плавной остановки (1-60 секунд)

Функции защиты: пропадание фазы, перегрузка, короткое замыкание, перегрев.

Выбор и расчет датчика скорости.

В данной системе ЭП скорость вращения ротора двигателя измерялась с помощью тахогенератора. Из электротехнического справочника выбираем тахогенератор АТ-261 со следующими техническими данными:

Частота вращения 3000 обр/мин

Напряжение возбуждения 110В

Ток возбуждения 0,35А

Крутизна Uвых 4,8÷5,8 мВмин/обр

Схема датчика представлена на рис.13.

Рис.10.1. Структурная схема датчика скорости.

Порядок расчета датчика следующий.

Рассчитывают напряжение на выходе тахогенератора при работе двигателя постоянного тока с частой, равной частоте вращения при идеальном холостом ходе, В:

, (10.1)

Рассчитывают делитель напряжения: входное напряжение делителя Uвх=Uтг, В, а выходное напряжение - Uвых=Uз. скор. мах:

, (10.2)

где Uз. скор. мах - максимальное напряжение задания скорости в САУ.

Рис.10.2. Датчик скорости на основе тахогенератора.

Выбирают из справочника резисторы, а затем уточняют значение выходного напряжения датчика скорости по формуле

, (10.3)

Рассчитаем напряжения:

Входное напряжение делителя

,

Выбираем из справочника резисторы МЛТ-0.1-3.6Ом и МЛТ-0.1-2.7Ом.

Принципы построения систем управления автономным" инверторами. Системы управления преобразователями частоты с промежуточным звеном постоянного тока в большинстве случаев содержат систему управления выпрямителем, систему управления автономным инвертором и блок регулирования, осуществляющий регулирование частоты и напряжения в соответствии с принятыми законами частотного регулированиях [1].

Системы управления выпрямителями выполняются по тем же схемам, что и соответствующие системы для управляемых выпрямителей. Системы управления автономными инверторами, как правило, соответствуют структурной схеме, приведенной на рис.10.3, и содержат задающий генератор U, распределитель импульсов UA и усилители-формирователи управляющих импульсов AD.

Рисунок.10.3. Структурная схема системы управления автономным инвертором.

В нестоящее время наиболее перспективными являются системы управления, выполненные на базе интегральных микросхем. При этом удается ие только резко сократить габариты системы, но и существенно упростить технологию сборки и наладки схем, а также повысить их надежность.

Поэтому рассмотренные ниже примеры практической реализации различных блоков системы управления предполагают использование современных интегральных микросхем.

Рис.10.4 Схема задающего генератора.

Элемент U преобразует напряжения управления, снимаемые с выхода блока регулировании (или непосредственно с выхода компарата, если блок регулирования отсутствует), в частоту следования управляющих импульсов. Частота выходных импульсов U однозначно определяет частоту выходного напряжения преобразователя. На рис.10.4 показан пример выполнения схемы U. В схеме используется операционный усилитель А, работающий в режиме интегрирования управляющего напряжения, и триггер Шмидта D, который срабатывает, когда напряжение на выходе А достигнет порогового значения. После срабатывания D на вход А через резистор  подается напряжение обратной полярности по отношению к напряжению управления, что приводит к быстрому разряду конденсатора. В связи с этим А возвращается в исходное положение и цикл работы повторяется. Если пренебречь временем разряда конденсатора по сравнению с временем его заряда, то частоту U можно определить по следующей формуле где UD-напряжение переключения D.

На выходе U формируются положительные импульсы, длительность которых равна. времени разряда конденсатора.

Распределитель импульсов UA предназначен для преобразования однофазных импульсов U в шестифазную систему импульсов, необходимую для управления тиристорами мостового инвертора. Кроме того, с помощью UA обеспечивается постоянная относительная длительность импульсов независимо от рабочей частоты (чаще всего для управления тиристорами мостового инвертора используются импульсы шириной 120°). и А выполняется, как правило, по кольцевой пересчетной схеме, которая распределяет импульсы U по шести каналам. При этом частота импульсов U должна быть в 6 раз выше частоты выходных импульсов UА или, что то же самое, частоты выходного напряжения инвертора. Одна из возможных схем UA приведена на рис.10.5, а. Она содержит трн J-K триггера (D1-D3) и шесть элементов И-НЕ (D4-D9). На синхронизирующие входы триггеров приходят одновременно выходные импульсы U. Наличие перекрестных связей с выходов на входы триггеров приводит к тому, что триггеры переключаются поочередно с приходом запускающего импульса от U.

Рисунок.10.5. Схема распределителя импульсов (а) и диаграмма напряжений (б).

Диаграмма напряжений на прямых и инвертирующих выходах триггеров показана на рис.10.5, б. С помощью D4-D9 формируются импульсы длительностью 120°. В качестве элементов И-НЕ (D4-D9) желательно выбирать элементы с повышенной нагрузочной способностью с тем, чтобы их выходные импульсы можно было непосредственно подавать на входы усилителей-формирователей без какого-либо промежуточного усиления.

Усилители-формирователи AD управляющих импульсов предназначены для усиления по мощности выходных импульсов UА их потенциального разделения, что необходимо для управления тиристорами мостового инвертора. Поэтому AD кроме ключевых транзисторов содержат, как правило, импульсные трансформаторы. С целью уменьшения габаритов импульсных трансформаторов для обеспечения возможности формирования широких управляющих импульсов.

Расчет тиристоров.

Среднее значение выпрямленного напряжения:

.

где  - значение выпрямленного напряжения при угле управления α=0;  - коэффициент схемы по ЭДС.

Ud=Ud0=2,34∙220=514.8В.

Номинальный ток двигателя Iф, н=56.12А.

Среднее и действующее значения  и  тока через тиристор, А:

Необходимо, чтобы выполнялось соотношение:

;

где  - коэффициент, учитывающий отклонение условий работы вентиля от номинальных.

Значения  принимают из меньших значений, если условия работы выпрямителя лучше.

 - коэффициент, запаса по току в рабочем режиме.

.

Максимально допустимое напряжение, прикладываемое к вентилю в схеме преобразователя не должно превышать допустимого значения повторяющегося импульсного напряжения, определяющего класс вентиля по напряжению:

;

где  - коэффициент запаса по напряжению;

 - коэффициент, учитывающий повышение напряжения сети;

 - максимальное значение напряжения на вентиле.

Для трех фазной мостовой схемы выпрямления:

kз. и ∙kс ∙Uобр. м=1,3∙1,1∙930,806=1331В.

С учетом перегрузочной способности из справочника выбираем тиристоры Т131-40 со следующими параметрами:

Расчет и выбор силовых полупроводниковых приборов выпрямителя

Номинальный ток двигателя Iф, н=56.12А.

а) среднее значение тока вентиля

б.) действующее значение тока вентиля

в.) коэффициент формы тока

г.) условие выбора диодов по току

где: Кzo - коэффициент запаса по охлаждению, Кzo=0,9;

Кzpi - коэффициент запаса по рабочему току, Kzpi=1,3;

Ifav - максимально допустимый средний ток при заданных условиях,

Ifav = Ia = 37.4

Ifavmax - максимально допустимый средний ток;

д) максимальное напряжение на вентиле

Uвmax=Кео Кс Кр Еdo

где Кео - кратность напряжений, для трехфазной мостовой схемы

Кео=1,045;

Кс - коэффициент схемы, для трехфазной мостовой схемы Кс=1,1;

Кр - кратность мощностей, для трехфазной мостовой схемы Кр=1,05;

Еdo - выпрямленная ЭДС;

где Ке - кратность напряжений, для трехфазной мостовой схемы Ке=0,427;

Ufc - напряжение фазное сети, Ufc=220 В;

,

.

Выбираем диод 2Д230Ж

Iпр. ср. мах = 60 А;

Uобр. и пр. мах = 800 В.

Выбор элементной базы регуляторов и задатчика интенсивности.

Задатчик интенсивности и регуляторы построены на ОУ типа К140УД7 со следующими параметрами:

Коэффициент усиления: 50000.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала: 70дб.

Напряжение смещения: 4мВ.

Напряжение питания: от 5 до 20В.

Потребляемый ток: 3мА.

Все сопротивления выбираем типа МЛТ-0,125 с номиналами, рассчитанными для соответствующих схем.

Конденсаторы выбираем типа К10-17-25В с соответствующими рассчитанными номиналами.

Датчик тока.

В системах автоматического управления электроприводом сигналы, пропорциоанальные току, снимаются с шунтов, трансформаторов тока. Эти сигналы используются как в чистом виде, так и преобразованные для выделения сигналов, соответствующих ЭДС, мощности, потоку и т.д.

Основными проблемами при создании датчиков тока и напряжения являются проблемы гальванического разделения силовых цепей и цепей управления, проблемы обеспечения высокого быстродействия и точности.

Устройства потенциальной развязки бывают двух типов:

трансформаторные, типа модулятор - демодулятор;

оптоэлектронные с модуляцией светового потока и линейные.

В нашей системе управления электроприводом сигналы тока, снимаются с помощью трансформаторов тока ТЛ-10 в нагрузку которых включено сопротивление МЛТ-0,125-1.2Ом. Далее эти сигналы поступают на неуправляемый трехфазный выпрямитель, где преобразуются в пропорциональный току сигнал напряжения. Далее сигнал поступает на блок гальванической развязки, реализованный на оптроне.

Номиналы на регуляторах задаются исходя из их настроек. Все ОУ применяемые в схеме регулирования марки LM101A

Целью данного курсового проекта являлась разработка автоматизированного электропривода центрифуги. Исходя из требуемых данных, была рассчитана мощность двигателя. Для обеспечения требуемого технологического режима была синтезирована система управления электродвигателем. Данная система является системой векторного управления. Для неё были рассчитаны параметры регуляторов. Система была промоделирована в Simulink пакета Matlab6.5 В процессе моделирования мы выяснили, что рассчитанная система удовлетворяет заданным требованиям.

При выполнении курсового проекта использовались пакеты Matlab 6.5, MathCAD 13.

1.  Справочник по автоматизированному электроприводу // Под редакцией Елисеева В.А., Шинянского А.В. - М.; "ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ", 1983г. "Химия", 1978г.

2.  Иванов Г.М., Онищенко Г.Б. Автоматизированный электропривод в химической промышленности. - М.; "МАШИНОСТРОЕНИЕ", 1975г.

3.  Анхимюк В.Л., Опейко О.Ф. Теория автоматического управления - Мн.; "Дизайн ПРО", 2002г.

4.  Коновалов Л.И., Петелин Д.П. - Элементы и системы автоматики. - М.; "Высшая школа", 1985г.

5.  Сабинин Ю.А., В.А. Грузов. - Частотоно - регулируемые асинхронные электроприводы. - Л., "ЭНЕРГОИЗДАТ", 1985г.

6.  Фираго Б.И., Павлячик Л.Б. - Теория электропривода. - М., "Техноперспектива", 2004г.

Приложение I

clc,clear,clf

mm=2; mp=1.4; mi=7;

snom=0.02;

n0=1500; nnom=n0-n0*snom; fnom=50;

Pnom=30000; KPDnom=0.91; cos_fi_nom=0.81;

w0=pi*n0/30; wnom=pi*nnom/30; Unom=220;

Mnom=Pnom/wnom;

Jep=2.44;

A1= (mm-1) *mp/ (mm-mp);

sk= (snom+sqrt (snom*A1)) / (1+sqrt (snom*A1));

Ks= (mp/mm* (1/sk+sk) - 2) / (1-sk^2);

I_1nom=Pnom/ (3*Unom*KPDnom*cos_fi_nom);

I_puska=mi*I_1nom;

Zk=Unom/I_puska;

M_puska=mp*Mnom;

k1=90*Unom^2/ (pi*n0);

R22=M_puska*Zk^2/k1;

j=0.3;

cos_fi_puska=cos_fi_nom* (mp*KPDnom/ (mi* (1-snom)) +j* (1-KPDnom));

sin_fi_puska=sqrt (1-cos_fi_puska^2);

R1=Zk*cos_fi_puska-R22;

Xk=Zk*sin_fi_puska;

X22=Xk/2;

X1=X22;

sin_fi_nom=sqrt (1-cos_fi_nom^2);

I0=I_1nom* (sin_fi_nom-snom/sk*cos_fi_nom);

I22=Unom/sqrt ( (R1+R22/snom) ^2+ (R22/sk) ^2);

Xm=sin_fi_nom*Unom/I0-X1;

w=0: 1: 4*w0;

v=w/w0;

s=1-v;

K1=Mnom*mm;

q= [1798 946 4600]

K2=2;

K3= (s. /sk+sk. /s);

M=K1. *K2. /K3;

w00= [18.84 129.8 7.33];

%f= [12 82 5];

%a=f/fnom;

a= [0.24 1.64 0.1]

s1=a (1) - v;

K2a=2;

K1=q (1);

K3a= (s1. /sk+sk. /s1);

M1=K1. *K2a. /K3a;

s1=a (2) - v;

K2a=2;

K1=q (2);

K3a= (s1. /sk+sk. /s1);

M2=K1. *K2a. /K3a;

s1=a (3) - v;

K2a=2;

K1=q (3);

K3a= (s1. /sk+sk. /s1);

M3=K1. *K2a. /K3a;

S=0.0166;

s=0.008;

I3=sqrt ( ( (I_1nom^2-I0^2) *Mnom*S) / (Mnom*s) +I0^2);

vk=R22/ (X22+Xm);

Ie=sqrt (2/3) *I3;

Mk=-2* (3*Ie^2*Xm^2) / (2*w0* (X22+Xm));

M4=2. *Mk. / (v. /vk+vk. /v);

%figure (1)

plot (M1,v,'k',M2,v,'k',M3,v,'k',M,v,'k'),grid on

axis ([-40 5000 0 2])

xlabel ('M, H*m');

ylabel ('s, %')

figure (2)

plot (M4,w,'k'),grid on

axis ([-500 4 0 200])

xlabel ('M, H*m');

ylabel ('w, rad/s')

Приложении II

clc,clear

format compact

mm=2.2; mp=1.4; mi=7; snom=0.02;

n0=1500; nnom=n0-n0*snom; fnom=50;

Pnom=30000; Unom=220; KPDnom=0.91; cos_fi_nom=0.89;

w0=pi*n0/30

wnom=pi*nnom/30

Mnom=Pnom/wnom

U_l_nom=sqrt (3) *Unom

Jep=2.44;

p=4

A1= (mm-1) *mp/ (mm-mp)

sk= (snom+sqrt (snom*A1)) / (1+sqrt (snom*A1))

Ks= (mp/mm* (1/sk+sk) - 2) / (1-sk^2)

M_dv_max=0.9^2*mm*Mnom

M_dv_puska=0.9^2*mp*Mnom

Mmax=Mnom*mm

I_1nom=Pnom/ (3*Unom*KPDnom*cos_fi_nom)

I_puska=mi*I_1nom

Zk=Unom/I_puska

M_puska=mp*Mnom

k1=90*Unom^2/ (pi*n0)

R22=M_puska*Zk^2/k1

j=0.3

cos_fi_puska=cos_fi_nom* (mp*KPDnom/ (mi* (1-snom)) +j* (1-KPDnom))

sin_fi_puska=sqrt (1-cos_fi_puska^2);

R1=Zk*cos_fi_puska-R22

Xk=Zk*sin_fi_puska

X22=Xk/2

X1=X22

sin_fi_nom=sqrt (1-cos_fi_nom^2)

I0=I_1nom* (sin_fi_nom-snom*cos_fi_nom/sk)

I22=Unom/sqrt ( (R1+R22/snom) ^2+ (Xk) ^2)

dP0=Pnom* (1-KPDnom) /KPDnom-3* (I_1nom^2*R1+I22^2*R22) - 0.0005*Pnom

cos_fi_0=dP0/ (sqrt (3) *U_l_nom*I0)

sin_fi_0=sqrt (1-cos_fi_0^2);

Xm=Unom*sin_fi_0/I0-X1

dPst=0.02*Pnom/KPDnom

Rm=dPst/ (3*I0^2)

Te=1/ (2*pi*fnom*sk)

Tm=Jep* (w0-wnom) /Mnom

b=Mnom/ (wnom*snom)

Koc=10/wnom

Kt=10/Mnom

Tn=0.005;

Km1=Mnom/I_1nom

Km2=Mnom/I0

Km3=Mnom/I22

Ku=Unom/wnom