Проектирование и исследование системы управления асинхронным электродвигателем

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт - ИК

Специальность - Автоматизация технологических процессов и производств (в нефтегазовой отрасли)

Кафедра - ИКСУ

Курсовая работа

Проектирование и исследование системы управления асинхронным электродвигателем

Студент, группа 8291

Сизнев А.Б.

Руководитель

доцент кафедры ИКСУ,

Леонов С.В.

Томск - 2012



Задание

на выполнение курсовой работы

Студенту гр. 8291 Сизнёву Александру Борисовичу

1. Тема курсовой работы ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ

2. Срок сдачи студентом готовой работы

3. Условия исходных данных в работе

Асинхронный двигатель. Вариант 3.

Ограничения на диаграмму работы двигателя:

Скорость не больше 100 рад/сек

Момент от 0 до 5 Нм

Мах длительность 1 мин.

Min длительность 10 секунд

Температура 25 град

Напряжение питания 220 В



Содержание

Введение

Глава I. Создание системы управления электродвигателем, подбор основных элементов

1.1 Построение диаграммы работы двигателя

1.2 Выбор электродвигателя

1.3 Выбор силового драйвера

1.4 Выбор датчика тока

1.5 Выбор датчика скорости

1.6 Выбор микроконтроллера

Глава II. Настройка и синтез регуляторов методом модульного оптимума

2.1 Расчет контура тока

2.2 Расчет контура скорости

Глава III. Моделирование привода в пакете Simulink

Заключение

Список использованной литературы



Введение

Появление электрических машин существенно улучшило экономические показатели всех предприятий и производств. Их используют в различных отраслях, начиная от пищевой, заканчивая металлургической. Применение электродвигателей позволяет решать ряд задач для обеспечения жизнедеятельности человечества. Эти машины имеют неоспоримые преимущества, такие как сохранение экологической обстановки, высокая производительность, надежность работы, использование экологически чистого источника энергии.

В настоящее время широко распространены автоматизированные электроприводы. Они позволяют автоматизировать процессы производства, при этом позволяют увеличивать количественные и качественные показатели производства. Происходит сокращение тяжелого человеческого труда.

Основной задачей систем управления электроприводом является регулирование состояния объекта. Это регулирование основано на последовательном выполнении ряда операций:

Получение сведений о состоянии объекта регулирования и окружающей среды;

Обработка полученных сигналов с целью наиболее эффективного приведения объекта регулирования в требуемое состояние.

Одна из наиболее важных системных задач - организация работы системы датчиков обратной связи, которая объединяет все компоненты управления электромеханической системы в единый комплекс. Этот этап предусмотрен в данной курсовой работе.



Глава I. Создание системы управления электродвигателем, подбор основных элементов

1.1 Построение диаграммы работы двигателя

Исходя их исходных данных, работа двигателя разбита на 5 различных временных отрезков, на которых угловая скорость и момент двигателя также различны. Построим диаграмму работу.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1. Диаграмма работы двигателя

1.2 Выбор электродвигателя

Исходя из заданных характеристик и диаграммы работы исполнительного механизма на первом этапе необходимо определить продолжительность включенного состояния электропривода и среднюю мощность за цикл работы.

Первоначально рассчитаем среднеквадратичную мощность за цикл работы по формуле:

, где

i=1..5;



Pi для каждого интервала времени найдем по формуле:

Итак, определим среднеквадратичную мощность за цикл работы:

Продолжительность включения ПВ находится по формуле:

Так как в работе нашего электропривода пауз нет, продолжительность включения равна 100.

На основе определенных среднеквадратичной мощности и продолжительности включения производим выбор электродвигателя. При этом мощность двигателя должна быть больше среднеквадратичной мощности:



где =1,2 - 1,4

Выберем =1,4.

Скорость двигателя должна быть больше или равна максимальной скорости двигателя в рабочем цикле:

Также номинальный крутящий момент должен быть больше или равен максимальному крутящему моменту:

Итак, исходя из всех трех полученных условий, определим характеристики электродвигателя:

Мощность: 45 Вт.

Угловая скорость: 32 рад/с.

Вращающий момент: 2,0 Н*м.

Асинхронный двигатель с редуктором 9RDGC-90

Асинхронный двигатель 9RDGC-90 реверсивный однофазный конденсаторного типа.

Режим работы продолжительный с возможностью частых пусков и торможений. Двигатель имеет встроенный электромагнитный тормоз. Выбег ротора после выключения питания 5-6 оборотов (0,5 с).

Питание двигателя 220В 50Гц, редуктор цилиндрический, колеса металлические.

В двигатель встроена защита от перегрева. При перегреве выше 130є двигатель автоматически выключается.

Сопротивление изоляции, не менее 100 МОм при 500VDC

Диэлектрическая прочность, в 1000 в течение 1 минуты

Класс изоляции B (130є )

Температурный диапазон эксплуатации (-20є - +40є )

Температура срабатывания тепловой защиты выключение - 130 /включение - 82є .

Габаритные размеры асинхронного двигателя 9RDGC-90

Рисунок 2. Габаритные размеры двигателя

Основные параметры двигателя и редуктора представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 2

Параметры двигателя 9RDGC-120
Мощность, Вт	120
Напряжение, В	220
Частота, Гц	50
Ток, А	1,3
Пусковой крутящий момент, мН*м	700
Номинальный крутящий момент, мН*м	912
Номинальная скорость, об./мин.	1300
Ёмкость конденсатора, мF	6,5
Параметры двигателя с редуктором
Скорость, об./мин.	500
Передаточное отношение	3
Момент Н*м	2,6



Рисунок 3. Внешний вид асинхронного электродвигателя с редуктором

Рисунок 4. Схема подключения

Рисунок 5. Характеристика момента

Дополнительные параметры двигателя:

Потокосцепление обмотки якоря:



Сопротивление обмотки якоря:

Индуктивность обмотки якоря:

Электрическая постоянная времени:

1.3 Выбор силового драйвера

В качестве интеллектуального силового драйвера была выбрана схема IRAMS06UP60B . Она включает в себя все необходимые части, такие как защиту от перенапряжения, температурную и токовую защиту. Общий вид микросхемы представлен на рисунке 6.

Рисунок 6. Общий вид силового драйвера



Схема драйвера представлена на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема силового драйвера

Основные технические характеристики драйвера показаны в таблице 3.

Таблица 3

Характеристика	Номинал
Максимальное допустимое напряжение, В	600
Максимальное входное напряжение, В	450
Максимальный допустимый ток на 1 фазе, А	6
Максимальный пиковый ток на 1 фазе, А	9
Напряжение изоляции, В	2000
Максимальная частота ШИМ, кГц	20
Задержка времени выхода сигнала, нс	470
Максимальная рассеиваемая мощность на фазу, Вт	7,5
Диапазон температуры работы диодов, 0С	-40..+150

Этот драйвер по параметрам подходит для работы с двигателями мощностью 100-500 Вт.

Также он удовлетворяет требованиям выбранного двигателя.

1.4 Выбор датчика тока

В качестве датчика тока для данной системы управления был выбран CSDC1AC, 3.5A логич бесконт 6-16В 100мкс.

Внешний вид датчика представлен на рисунке 8.

Рисунок 8. Датчик тока CSDC1AC

Основные технические характеристики этого датчика представлены в таблице 4.



Таблица 4

Тип подключения к измеряемой цепи	Бесконтактный
Выход	Цифровой
Максимальный допустимый ток, А	3,5
Измерение постоянного тока, Iпост	Да
Измерение переменного тока, Iпер	Да
Измерение импульсного тока, Iимп	Нет
Ток включения, А	1,7
Ток выключения, А	0,6
Напряжение питания, В	5
Максимальная чувствительность, мВ\А*виток	-
Время отклика, мс	100
Рабочая температура, С	-25..85
Максимальный выходной ток, мА	20
Корпус	CSD
Производитель	Honeywell Inc.

Для подсчета коэффициента обратной связи датчика воспользуемся формулой:

- максимальный выходной ток, - максимальный допустимый ток

1.5 Выбор датчика скорости

Датчик является первичным преобразователем и может применяться в схемах измерения частоты вращения или периода одного оборота вала, счетчика числа оборотов (только суммирование независимо от направления вращения, скорость вращения сколь угодно малая), а также в качестве датчика положения вала в пределах полуоборота.

В качестве датчика скорости для данного привода был выбран тахогенератор фирмы Baumer Hubner марки GT 7 . Внешний вид тахогенератора представлен на рисунке 9.

Рисунок 9. Внешний вид тахохенератора

Основные технические характеристики представлены в таблице 5

Таблица 5

Напряжение, мВ/об/мин	10 -> 60
Температурный коэффициент, %/°C	-0.005
Температурный диапазон	-30 °C - +130°C
Максимальная скорость, об/мин	9,000
Момент инерции, кг*см2	0,4
Вес ротора, г	приблизительно 110
Корпус, мм	диаметр d= 70
Диапазон скоростей, об/мин	0-3000
Индуктивность, мГн	80

Сборочный чертеж тахогенератора представлен на рисунке 10.



Рисунок 10. Сборочный чертеж тахогенератора

Рассчитаем коэффициент обратной связи датчика скорости по формуле

- скорость вращения ротора, - опорное напряжение

1.6 Выбор микроконтроллера

Микроконтроллеры являются наиболее универсальным средством для создания ядра информационно-управляющего канала современного электропривода. Для данного электропривода выбираем микроконтроллер фирмы Atmel. Это будет ATmega8.

Назовем некоторые отличительные особенности этого микроконтроллера:

8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением

Прогрессивная RISC-архитектура, 32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения, 130 высокопроизводительных команд

Энергонезависимая память программ и данных

2 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения

1 16-рязрядный таймер/счетчик

8-канальный аналого-цифровой преобразователь

Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором

Встроенный аналоговый компаратор

23 программируемые линии ввода/вывода

Рабочее напряжение 4,5-5,5 В

Рабочая частота 0-16МГц

1 Кбайт встроенной SRAM

512 байт EEPROM

Внутренние и внешние источники прерываний

Встроенный калиброванный RC-генератор

Вид и схема портов микроконтроллера представлены на рисунке 11.

Рисунок 11. Схема портов и внешний вид микроконтроллера

Схема системы управления без датчиков тока и скорости:



Рисунок 12. Схема системы управления



Глава II. Настройка и синтез регуляторов методом модульного оптимума

Для расчета параметров регулятор и их настройки составим операторно-структурную схему системы. Эта схема представлена на рисунке 12.

Рисунок 13. Операторно-структурная схема системы

В данной схеме использованы следующие обозначения:

- передаточная функция регулятора скорости

- передаточная функция регулятора тока



2.1 Расчет контура тока

Для расчета рассмотрим операторно-структурную схему контура тока.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 14. Структурная схема токового контура

система управление асинхронный электродвигатель

Рассмотрим метод последовательной коррекции. Метод последовательной коррекции является одним из наиболее простых алгебраических методов синтеза регуляторов линейных систем автоматического управления.

Синтез регулятора по техническому оптимуму обеспечивается следующей желаемой передаточной функцией основной цепи разомкнутого оптимизируемого контура:

где

- коэффициент обратной связи;

- коэффициент настройки контура регулирования, которым будем считать равным 2, так как данный коэффициент обеспечивает оптимальные показатели качества

и .;

- суммарная некомпенсируемая постоянная времени контура регулирования.

Имеем следующее равенство:

Отсюда имеем выражение для передаточной функции регулятора тока:

Предел уменьшения примем равным 4*ф0, где ф0=0,0002 - 0,001с ( для транзисторных преобразователей с ШИМ).

Теперь раскроем скобки и разложим на множители передаточную функцию регулятора тока:

Видим, что эту формулу можно привести в соответствие с формулой передаточной функции ПИ-регулятора:

Отсюда получаем уравнения для коэффициентов регулятора:



Коэффициент обратной связи по току был рассчитан раньше и равен 0,00571.

Коэффициент пропорциональности находится по формуле

здесь - напряжение на выходе транзисторного преобразователя (равное номинальному напряжению двигателя), - опорное напряжение равное 10 В. Поэтому получаем

Постоянная времени преобразователя приблизительно равна длительности периода работы ШИМ. Следовательно

После подстановки полученных значений имеем коэффициенты ПИ-регулятора:

Запишем формулу передаточной функции замкнутого токового контура:



Для дальнейших вычислений пренебрегаем слагаемым второго порядка малости, так как оно очень мало. В связи с этим имеем упрощенный вид передаточной функции замкнутого контура:

2.2 Расчет контура скорости

Для синтеза регулятора скорости составим операторно-структурную схему данного контура.

Рисунок 15. Структурная схема контура скорости.

В схеме приведены следующие обозначения:

- передаточная функция регулятора скорости;

- передаточная функция контура тока, составленная выше;



- передаточная функция механической части двигателя, здесь

Где - момент инерции двигателя,

=

Тогда получаем:

.

Заранее следует отметить, что желаемая постоянная времени переходного процесса в контуре скорости равна удвоенной постоянной времени токового контура:

Далее приравняем передаточную функцию желаемого контура с регулятором. Получим следующее выражение:



Рассчитаем коэффициент обратной связи датчика скорости по формуле:

Где - выходное напряжение датчика скорости, которое равно:

Угловая скорость тахогенератора:

.

(где, n=1000, номинальная скорость вращения)

Отсюда имеем:

Выразим передаточную функцию для регулятора скорости из выше приведенного отношения:

Подставляем численные значения:



Коэффициенты ПИ-регулятора будут равны:

Передаточная функция замкнутого контура скорости, настроенного на модульный оптимум имеет вид:

Пренебрегаем слагаемым второго порядка малости. В результате получаем окончательный вид передаточной функции:



Глава III. Моделирование привода в пакете Simulink

Теперь исследуем полученную систему с помощью пакета Simulink Matlab. Для этого соберем основную операторно-структурную схему, представленную на рисунке 16.

Рисунок 16. Операторно-структурная схема системы

В результате моделирования получили график переходного процесса, представленный на рисунке 17.



Рисунок 17. Переходный процесс смоделированной системы

Как видим из графика перерегулирование и время переходной процесса удовлетворяют заданным значениям, а именно:

Перерегулирование: 4,78%.

Время переходного процесса: 0,00103 с

Из этих показателей качества следует, что расчеты проведены верно и регулятор настроен на правильную работу.



Заключение

Проектирование автоматизированного электропривода сложная задача, которая включает в себя создание системы управления электродвигателем. Подбор элементов системы также является трудоемкой, так как необходимо учитывать сферу применения электропривода, рабочие параметры, выполняемые задачи, а также экономическую составляющую. В ходе курсового проекта была собрана система, состоящая из электродвигателя, силового драйвера управления, датчиков тока и скорости и контроллер. Все комплектующие удовлетворяют параметрам друг друга. Завершающим этапом проектирования была настройка регуляторов. Это очень важный этап, потому что от него зависит, насколько хорошо будет работать электропривод, и насколько точно он будет выполнять заданные требования. В ходе работы была проведена настройка регуляторов. За основу был взят ПИ-регулятор, так как он позволяет избавиться от ошибки регулирования, а также добиться необходимого переходного процесса. Результатом работы явился график переходного процесса, удовлетворяющий техническому заданию.



Список использованной литературы

«Википедия». Электронный ресурс.

«Динамические свойства асинхронных электродвигателей». Электронный ресурс

«Платан», каталог товаров

«Рынок микроэлектроники». Электронный ресурс

Хорьков К.А., Хорьков А.К. Электромеханические системы. Элементы энергетического канала: Учебное пособие. - Томск: Изд. ТПУ, 1999 - 337 с.;

Размещено на Allbest.ru