Разработка системы управления асинхронным двигателем с детальной разработкой программ при различных законах управления

Разработка системы управления асинхронным двигателем с детальной разработкой программ при различных законах управления

МIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ УКРАЇНИ

Державна Гiрнича Академiя України

Кафедра Автоматизацiї виробничiх процесiв

ПОЯСНЮВАЛЬНА

ЗАПИСКА

ДО ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТУ

На тему: "Розробка системи керування асiнхронним

двигуном с детальним розробленням

программ при рiзних законах управлiння"

Студент групи АТс-92 Казначеєв В’ячеслав Сергiйович

Керiвник проекту: Соседка В.Л. ________________

Консультанти: Пацера С.Т. ________________

Мiрошник Г.А. ________________

Шереметьєва I.В. ________________

Завiдуючий кафедрою проф. Ткачев В.В. ________________

Днiпропетровськ

1997

РЕФЕРАТ

Дипломный проект стр. , рис. , табл.

Проектирование системы, система управления, асинхронный двигатель, закон

управления, цифровой сигнал, реализация, интегральная микросхема,

переходный процесс, расчет.

Описан объект автоматического управления - асинхронный двигатель.

Цель работы- разработка системы управления асинхронным двигателем с

разработкой программы при различных законах управления. Выполнен обзор

существующих схем управления и сформулированы технические требования к

системе. Показано, что частотное управление асинхронным двигателем не

удовлетворяет требованиям, в связи с чем предложено применить закон

управления напряжением двигателя в функции частоты и нагрузки,

обеспечивающих снижение потерь в двигателе, предложенный М. П. Костенко.

Разработана функциональная схема системы управления, использующая цифровые

сигналы.

Выполнено проектирование системы - разработана принципиальная схема и

печатная плата системы управления асинхронным двигателем при помощи

интерфейса RS-232C. Рассчитана максимально возможная скорость передачи

данных в канале связи. Разработан протокол обмена и программа верхнего

уровня, моделирующая работу двигателя при различных законах управления.

Предприняты меры по обеспечению безопасности при работе с объектом

упраления.

Определена плановая стоимость разработки и плановая прибыль.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Состояние вопроса и постановка задачи

1.1. Общие сведения об асинхронных двигателях

1.2. Техническое описание системы

1.3. Анализ существующих средств автоматизации

1.4. Обоснование структуры системы автоматического управления

2. Техническое задание

2.1. Наименование и область применения

2.2. Основание для проведения разработки

2.3. Цель и назначение разработки

2.4. Требования к системе

2.4.1. Требования к комплексу решаемых задач

2.4.2. Нижний уровень

2.4.3. Верхний уровень

2.4.4. Требования к надежности

2.4.5. Требования к безопасности

2.4.6. Требования к эргономике и технической

эстетике

2.4.7. Требования к эксплуатации, техническому

обслуживанию, ремонту и хранению компонентов

системы

2.4.8. Требования к защите информации от

несанкционированного доступа

2.4.9. Требования по сохранности информации при

авариях

2.4.10. Требования к защите от влияния внешних

воздействий

2.5. Требования к видам обеспечения

2.5.1. Требования к математическому обеспечению

2.5.2. Требования к информационному обеспечению

2.5.3. Требования к лингвистическому обеспечению

2.5.4. Требования к программному обеспечению

2.5.5. Требования к техническому обеспечению

3. Специальная часть

3.1. Выбор технических средств

3.2. Разработка структурной схемы

3.3. Разработка функциональной схемы

3.3.1. Блок центрального процессора

3.3.2. Блок ввода и преобразования аналоговых

сигналов

3.3.3. Блок ввода-вывода дискретных сигналов

3.3.4. Математическое описание асинхронного

двигателя

3.4. Проектирование робота

3.4.1. Постановка задачи

3.4.2. Исходные данные

3.4.3. Основные понятия и определения

3.4.4. Метод матриц в кинематике манипуляторов

3.4.5. Выбор систем координат

3.4.6. Расширенная матрица перехода для

кинематической пары

3.4.7. Решение прямой задачи кинематики

3.4.8. Решение обратной задачи кинематики

3.4.9. Проверка решения

3.5. Технические средства автоматизации систем управления гибких

автоматизированных производств

3.5.1. Выбор системы координат станка, детали и

инструмента

3.5.2. Выбор типовых переходов операций сверления

3.5.3. Кодирование управляющей программы

процесса сверления

3.6. Связь контроллера с ЭВМ верхнего уровня

3.6.1. Схема гальванической развязки

приемопередатчика микроконтроллера

3.6.2. Интерфейс последовательного канала связи

ЭВМ с контроллером

3.6.3. Организация обмена по последовательному

каналу

3.6.4. Расчет формы сигнала в линии связи и

скорости обмена

3.7. Теория автоматического управления

4. Конструкторско-технологическая часть

4.1. Общие технические требования к печатной плате

4.2. Основные принципы конструирования печатных плат

4.3. Технология изготовления платы

5. Экономическая часть

5.1. Расчет плановой себестоимости

5.2. Определение договорной цены НИР и плановой

прибыли

6. Охрана труда

6.1. Анализ условий труда, опасных и вредных

производственных факторов

6.2. Выбор и обоснование мероприятий для создания

безопасных условий труда

6.3. Инструкция по охране труда при монтаже и

эксплуатации системы

6.4. Расчет искусственного освещения

6.5. Противопожарная защита

Заключение

Список литературы

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация производства на основе микроэлектронной техники для

развития и совершенствования существующих и создающихся технологических

производств, является одним из важных направлений производства.

Особенностью современного этапа развития автоматизации производства

является появление и массовое применение качественно новых технических

средств, изготовление сетей на базе микроэлектроники. Внедрение

автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП)

приобретает особое значение в связи с ростом требований к скорости

вычисления, переработки и выдачи информации. Поэтому разработка и

исследование структур и режимов функционирования АСУ ТП на основе микроЭВМ

является актуальной задачей. Использование микроЭВМ позволяет на порядок

снизить затраты, обеспечивает повышение эффективности и расширение

функциональных возможностей.

Одно из основных положений автоматизации процессов организационного

управления заключается в создании безбумажной технологии обработки

информации.

Программное обеспечение систем с персональными микроЭВМ выгодно

отличается своей простотой, проблемной направленностью.

Основной, определяющей целью управления оборудованием,

технологическими и производственными процессами с помощью АСУ ТП является

повышение производительности труда, улучшение качества продукции и

использования материально-сырьевых и топливно-энергетических ресурсов.

Дальнейшее совершенствование АСУ ТП связано с повышением их экономической

эффективности путем индустриального создания автоматизированных

технологических комплексов с АСУ ТП.

Одним из существенных препятствий на пути индустриализации создания

АСУ ТП являются традиционные методы (трудоемкие) программирования ЭВМ и

недостаточная адаптивность типовых АСУ ТП к более широкому кругу условий

работы объектов управления. Преодолеть эти препятствия для предприятий,

самостоятельно внедряющих АСУ ТП можно, во-первых, передачей значительной

степени программного обеспечения из универсальных ОЗУ в ПЗУ

микропроцессорных функциональных блоков, из которых и следует формировать

логическую и вычислительную часть АСУ ТП, т. е. передачей задач

традиционного программирования в область массового производства устройств

электронной техники; во-вторых, развитием специализированных операционных

систем АСУ ТП, обладающих широкими возможностями к адаптации и работающими

с микропроцессорными функциональными блоками; в-третьих, созданием

программно-аппаратурных средств реализации диалоговых режимов настройки и

работы АСУ ТП.

Уровень автоматизации производственных процессов, производительность

труда и качество выпускаемой продукции определяется силовой

электровооруженностью труда, основу которой составляют регулируемые

электрические машины.

Целью настоящего дипломного проекта является разработка

автоматической системы регулирования электропривода с мощным высоковольтным

короткозамкнутым асинхронным двигателем c детальной разработкой программ

для управляющей ЭВМ верхнего уровня.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Общие сведения

В силу своих конструктивных особенностей асинхронная машина лишена

ряда недостатков, присущих машинам постоянного тока. В частности,

отсутствие коллектора и щеток в асинхронном короткозамкнутом двигателе (АД)

обуславливает большую предельную единичную мощность, лучшие весо-габаритные

показатели, более высокую перегрузочную способность и допустимую скорость

изменения момента, более высокие скорости вращения, чем машины постоянного

тока. Известно, что преимущества АД наиболее полно реализуются при

частотном управлении, что обуславливает постоянное вытеснение регулируемого

электропривода постоянного тока частотно-регулируемым асинхронным

электроприводом во всех отраслях промышленности.

В настоящее время около половины вырабатываемой электроэнергии

потребляется нерегулируемыми двигателями переменного тока, среди которых

значительную часть составляют мощные высоковольтные АД. Регулирование

скорости мощных высоковольтных АД, исключение режимов прямых пусков -

эффективные факторы повышения производительности рабочих механизмов,

снижения эксплуатационных расходов, экономии электроэнергии. Рабочими

механизмами мощных высоковольтных электроприводов являются: подъемники

горной и металлургической промышленности, вентиляторы, насосы, газодувки,

компрессоры горной, металлургической, химической промышленности, атомной

энергетики.

С разработкой и освоением серийного производства мощных силовых

полупроводниковых приборов появилась возможность широкого применения мощных

высоковольтных преобразователей частоты (ПЧ) для питания обмоток

высоковольтных АД. Таким образом, появилась возможность создания

регулируемых по скорости мощных высоковольтных асинхронных электроприводов.

Известно, что механические и динамические характеристики,

энергетические показатели АД в частотно-регулируемом электроприводе

определяются: принятым законом частотного управления, способом частотного

управления, алгоритмической и аппаратной реализацией автоматической системы

регулирования (АСР) электропривода.

Несмотря на большое количество разработанных и исследованных структур

АСР для низковольтных электроприводов, применение их для мощных

высоковольтных электроприводов не представляется возможным. Это связано с

особенностями высоковольтного электропривода, а именно:

. значительным усложнением непосредственного измерения параметров

электропривода;

. условием минимальной асимметрии питающих токов, вытекающей из требования

к повышенной энергетике электропривода;

. применением трехфазного двухобмоточного АД, питающегося от

двухсекционного преобразователя частоты, вытекающим из условия улучшенных

энергетических, регулировочных свойств и способа наращивания выходной

мощности.

Кроме перечисленных особенностей необходимо отметить, что

значительная часть высоковольтных АД рассчитана на высокие скорости

вращения (6000 об/мин и выше), что исключает возможность применения

вращающихся на валу АД датчиков.

Таким образом, на основании анализа приведенных законов, способов,

технических устройств частотного управления асинхронными электроприводами,

можно сделать следующие выводы.

1. Для мощных высоковольтных электроприводов механизмов, работающих с

постоянным моментом сопротивления на валу с частыми пускотормозными

режимами, целесообразно применение закона частотного управления с

постоянством потокосцепления ротора, отличающегося наивысшей

перегрузочной способностью и обеспечивающего наилучшие динамические

свойства двигателя.

2. Для мощных высоковольтных электроприводов механизмов, работающих с

вентиляторным моментом сопротивления на валу, благодаря своим высоким

энергетическим показателем и простоте технической реализации

целесообразно использовать закон частотного управления по минимуму

потерь.

3. В силу своих преимуществ по сравнению с другими способами частотного

управления, а именно: простоте технической реализации (по сравнению с

векторными способами) и лучшими динамическими и статическими показателями

(по сравнению с амплитудными способами) предпочтителен квазивекторный

способ частотного управления.

4. Для наращивания мощности электропривода и одновременного повышения его

энергетических показателей, используются трехфазные двухобмоточные

двигатели с пространственным сдвигом между трехфазными статорными

обмотками, питающимися от двух трехфазных преобразователей частоты токами

(напряжениями) с фазовым сдвигом в 30 эл.град.

5. Известные в настоящее время технические устройства для частотного

управления асинхронным электроприводом в полной мере не отвечают

требованиям, предъявляемым к мощному высоковольтному электроприводу и им

присущи следующие недостатки:

. ограниченная низкоскоростными электроприводами область применения,

необходимость изготовления специальной машины или переделка серийной,

применение специальных устройств для механического сочленения валов,

невозможность применения в запыленных и агрессивных средах, что

обусловлено наличием датчиков на валу и внутри машины;

. высокая сложность технической реализации, обусловленная наличием сложных

технических устройств: координатного преобразования, векторных фильтров,

фазовращателей, функциональных преобразователей, блоков коррекции

мгновенного значения частоты;

. наличие большого числа датчиков, осуществляющих высоковольтную

гальваническую развязку;

. невысокая надежность, что обусловлено наличием датчиков на валу и внутри

машины, высокой сложностью технической реализации блоков АСР, датчиков,

осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку.

1.2 Техническое описание системы

В основе математического описания АД при переменной частоте питающей

сети лежит общая теория электрических машин.

Основой для математического описания АД служат уравнения,

составленные в фазовых координатах. Особенностью АД является совокупность

магнитосвязанных цепей с коэффициентами само- и взаимоиндукции,

периодически изменяющимися в функции угла поворота ротора относительно

статора. В зависимости от степени насыщения магнитной системы машины, эти

коэффиценты могут зависеть еще и от токов во всех обмотках. Уравнения могут

быть составлены либо в трехфазной системе координат, либо в двухфазной для

обобщенной машины. При записи уравнений в фазовых координатах получают

систему дифференциальных уравнений высокого порядка ( в трехфазной системе

координат число уравнений равно 14) с переменными коэффициентами.

Пользоваться такой системой для исследования электромеханических процессов,

происходящих в АД не представляется возможным в связи с громоздкостью,

наличием переменных коэффициетов, нелинейностью. Дальнейшее упрощение и

преобразование исходной системы уравнений основывается на следующем общем

методе. При этом уравнения в фазовых координатах преобразуются к

уравнениям, выраженным через обобщенные (результирующие) векторы, вводится

система относительных единиц для токов, напряжений, потокосцеплений,

скоростей вращения, частот, моментов, активных, индуктивных сопротивлений.

Введение системы относительных единиц упрощает вид уравнений, а выражение

переменных через результирующие векторы приводит к виду дифференциальных

уравнений, при котором коэффициенты дифференциальных уравнений ненасыщенной

машины являются постоянными величинами. Для насыщенной машины необходимо

вводить зависимость величин этих коэффициентов от магнитного состояния

машины.

После указанных преобразований получают систему дифференциальных

уравнений шестого порядка с постоянными коэффициентами, что значительно

упрощает описание АД и делает возможным использование этой системы для

ииследования электромеханических процессов, протекающих в АД. Дальнейшее

преобразование полученной системы уравнений сводится к переводу векторов,

входящих в уравнение, в различные системы координат (в зависимости от цели

решаемой задачи).

При математическом описании АД принят ряд допущений, соответствующих

идеализированному представлению АД:

. фазные обмотки сииметричны, одинаковы, воздушный зазор по все окружности

ротора одинаков;

. не учитываются потери в стали, а также высшие гармоники магнитодвижущей

силы и рабочего потока;

. параметры АД постоянны и не зависят от токов в обмотках АД;

. системы питающих токов (напряжений) симметричны.

Технические характеристики рассматриваемого АД приведены в таблице 1

Таблица 1

|Наименование параметров |Электродвигатель АО2-52-4 |

|1. Номинальная мощность, Pн |10 кВт |

|2. Номинальное напряжение (фазное), |220 В |

|Uн | |

|3. Номинальный (фазный) ток, Iн |19 А |

|4. Номинальная скорость, ( |1460 об/мин |

|5. Номинальный момент, Mн |65.4 н.м. |

|6. Момент инерции, J |0.09 кг(м2 |

|7. Число пар полюсов, 2p |4 |

|8. Номинальная частота, fн |50 Гц |

|9. Активное сопротивление статора, |0.45 Ом |

|rs | |

|10. Активное сопротивление ротора, |0.7 Ом |

|rr | |

|11. Индуктивность рассеяния статора,|43(10-4 Гн |

|l(s | |

|12. Индуктивность рассеяния ротора, |51(10-4 Гн |

|l(r | |

|13. Взаимная индуктивность статора и|0.1045 Гн |

|ротора, Lm | |

Система уравнений для идеализированного трехфазного короткозамкнутого

АД в системе координат, вращающейся с поизвольной скоростью (к с

использованием системы относительных единиц согласно [ ], имеет вид:

[pic]

где [pic] - обобщенные векторы, соответственно, напряжения, тока,

потокосцепления статора;

[pic] - обобщенные векторы, соответственно, тока и потокосцепления

ротора;

[pic] - активные сопротивления, соответственно, статора и ротора;

Lm - взаимная индуктивность статора и ротора;

[pic] - индуктивность рассеяния, соответственно, статора и ротора;

[pic] - соответственно, электромагнитный момент и момент

сопротивления на валу АД;

H - момент инерции ротора АД;

( - угловая скорость вращения ротора АД;

p - символ дифференцирования по времени.

Установившемуся режиму работы АД (все производные в фомуле равны

нулю) системе соответствует T-образная схема замещения АД, изображенная

на рисунке 1, где I( - ток намагничивания АД; (1 - частота питающей сети.

При математическом описании АД принята система относительных единиц,

базовые значения которой определяются системой:

[pic]

- базовый ток;

- базовое напряжение;

- базовая скорость;

- базовая частота;

- базовое время;

- базовый момент;

- базовая индуктивность;

- базовое потокосцепление;

- базовое сопротивление;

- базовый момент инерции.

Целью дипломного проекта является разработка и исследование

автоматической системы регулирования (АСР) асинхронного высоковольтного

электропривода на базе автономного инвертора тока с трехфазным

однообмоточным двигателем с детальной разработкой программы высокого уровня

при различных законах управления.

В ходе конкретизации из поставленной цели выделены следующие задачи.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8