Разработка системы непрерывного управления скоростью асинхронного двигателя с фазным ротором с помощью импульсно-ключевого регулятора добавочного сопротивления роторной цепи (стр. 1 из 3)
Введение
Современный электропривод состоит из большого числа разнообразных деталей, машин и аппаратов, выполняющих различные функции. Все они в совокупности совершают работу, направленную на обеспечение определенного производственного процесса. Наиболее важным элементом является система управления электроприводом (СУЭП). От правильного функционирования системы управления зависит состояние объекта управления и правильности отработки заданных параметров.
В настоящее время СУЭП решает несколько важных задач:
Формирование статических механических характеристик электропривода с целью стабилизации скорости (или момента), расширение диапазона регулирования скорости, ограничение перегрузок, формирование адаптивных систем.
Оптимизация переходных режимов с целью повышения быстродействия, снижения динамической ошибки, ограничение ускорения, рывков и т.д.
Целью данного курсового проекта является разработка системы непрерывного управления скоростью асинхронного двигателя с фазным ротором с помощью импульсно-ключевого регулятора добавочного сопротивления роторной цепи.
Также необходимо разработать принципиальную схему, с выбором ее элементов, и предложить вариант реализации блока управления.
1. Определение структуры и параметров объекта управления
В задании на курсовой проект в качестве исполнительного двигателя используется асинхронный двигатель с фазным ротором типа МТН112-6. Данный двигатель наиболее часто применяется в краново-металлургическом производстве. Приведем паспортные данные для двигателя:
Номинальная мощность P2н=15 кВт;
Номинальное напряжение статора (питания) Uн=380 В;
Номинальное напряжение ротора U2ф=219 В;
Номинальная частота вращения nном=955 об/мин;
Критический момент Ммах=380 Нм;
Номинальный ток статора I1н=38 А;
Номинальный ток ротора I2н=46 А;
Коэффициент мощности cosj=0.73;
Коэффициент полезного действия h=82%;
Момент инерции ротора Jp=0.313 кгм2;
Класс нагревостойкости - Н;
Степень защиты IP44.
Определим необходимые параметры двигателя:
Номинальная скорость двигателя:
Скорость холостого хода:
Номинальный момент двигателя:
Номинальное скольжение двигателя:
Критическое скольжение двигателя:
Отношения сопротивлений:
Сопротивление статора:
ОмПриведенное сопротивление ротора:
ОмИндуктивное сопротивление короткого замыкания:
ОмТак как Xk=X1+X2’, причем X1»X2’ примем: X1=0.68 Ом, X2’=0.7 Ом.
Рассчитаем коэффициент приведения сопротивления Кr:
Определяем сопротивления ротора:
Ом 
ОИсходя из задания, силовой канал представляем следующим образом (рис.1):
рис.1. На представленной схеме: М – асинхронный двигатель с фазным ротором; BR – тахогенератор; U1 – трехфазный мостовой выпрямитель, включенный в цепь ротора; ДТ – датчик тока; Rd – добавочное сопротивление, шунтированное ключом с частотой коммутации fk=3кГц; К – коммутатор; СУ – система управления.
Дополнительный резистор Rd включен в цепь ротора через неуправляемый выпрямитель U1. Коммутатор (ключ) К периодически закорачивает сопротивление Rd, причем скважность g= tвкл/Тком может изменяться внешним сигналом Uzc в пределах от 0 до 1. При g=0 т.е. при не включенном коммутаторе, сопротивление роторной цепи составит Rr+Rd, что определит механическую характеристику 2 (рис.2). При g=1 (ключ включен постоянно) Rd=0 и двигатель работает на характеристике 1, близкой к естественной (рис.2). Плавное изменение величины скважности в пределах 0< g<1 обеспечивает семейство характеристик, расположенные между характеристиками 1 и 2. Величина g в данном случае зависит от величины тока и скорости. Импульсно-ключевой способ управления АД имеет ряд преимуществ: Высокое быстродействие; Переход с характеристики на характеристику при переходных процессах плавный, без скачков тока и момента, что повышает надежность системы.
Наряду с этими достоинствами данный способ имеет очень существенный недостаток: Регулирование скорости осуществляется путем повышения скольжения, что приводит к увеличению потерь. Поэтому ИКР следует применять только в старых электроприводах в качестве их модернизации, и то только тогда, когда двигатель работает на низких скоростях непродолжительное время.
2. Расчет характеристик асинхронного двигателя
По уточненной формуле Клосса рассчитываем значения момента и скорости:
Результаты вычислений сведены в таблицу 1.
Тб.1
| S | 1 | 0.9 | 0.8 | 0.6 | 0.5 | 0.4 | 0.3 | 0.285 | 0.25 | 0.2 |
| W рад/с | 0 | 10.5 | 20.9 | 41.9 | 52.4 | 62.8 | 73.3 | 73.4 | 78.5 | 83.8 |
| M Нм | 259 | 282.4 | 308.8 | 375.1 | 414.6 | 453.8 | 478.2 | 480 | 477.6 | 450.1 |
| S | 0.1 | 0.09 | 0.05 | 0.045 | 0 |
| W рад/с | 94.2 | 95.3 | 99.5 | 100 | 104.7 |
| M Нм | 301.2 | 276.5 | 156.5 | 159 | 0 |
Естественная характеристика представлена на рис.2
Определим рабочую область электропривода:
Скорость: Wo(0.05…0.5)=5.235¸52.35 рад/с;
Момент: Мн(0.2…1)=30¸150 рад/с;
На рис.2 эта область выделена штриховкой. В режиме ИКР двигатель работает на семействе характеристик с постоянно меняющейся жесткостью (из-за постоянного изменения сопротивления Rd ). Максимальное значение сопротивления соответствует точке А, рассчитываем его величину по формуле:
,где: S’k – критическое скольжение на характеристике 2;
S’н – номинальное скольжение на этой характеристике;
Мн – момент нагрузки (для точки А равен 30 Нм).
Находим номинальное скольжение S’н= 0.95
С помощью программного пакета MATHCAD находим значение критического скольжения на характеристике 2: S’k=7.27 , тогда:
R2’max= S’k*Xk=7.27*1.38=10.03 Ом;
R2’д=R2’maх-R2’=10.03-0.4=9.63 Ом;
R2д= R2’д/Kr=9.63/1.21=7.96 Ом.
Рис.2
Приведем эквивалентную схему замещения объекта управления относительно выпрямленного тока Id:
- скважность; 
, где:Kcx – коэффициент схемы, принимаем равным 1.35
3. Разработка алгоритма управления и расчет параметров элементов структурной схемы
Согласно эквивалентной схеме замещения запишем следующие дифференциальные уравнения:
где:
Данный объект нелинейный, т.к. присутствуют g*Id, Id2 и т.д. Рассмотрим линеаризацию объекта, и запишем уравнения в приращениях:
 |
где:
.Целесообразно использовать двухконтурную систему подчиненного регулирования координат с внутренним контуром выпрямленного тока. Исходя из линеаризованных дифференциальных уравнений, получим следующую структуру (рис.3):
рис.3
Данная структура представлена в общем виде. Определяем параметры объектов: Рассчитаем максимальную электромагнитную постоянную времени и минимальную электромеханическую постоянную, и определим их соотношение:
Найдем отношение постоянных времени:
Т.к. отношение m>>8, следовательно, при расчетах мы можем пренебречь влиянием обратной связи по ЭДС двигателя.
Для определения коэффициентов двигателя Се и См рассчитаем значение Idнач из формулы:
Для найденного значения Idнач рассчитаем коэффициенты Се и См по формулам: