Материал: Расчет и проектирование систем стабилизации частоты вращения электропривода

Схема подключения энкодера показана на рисунке 2.

Рисунок 2-Схема подключения энкодера E40H8

2.4 Выбор контроллера

Выберем контроллер фирмы Omron для автоматизации технологического процесса.

Модуль ЦПУ CP1L по своей конструкции и функциям является программируемым логическим контроллером (ПЛК) и выпускается в вариантах на 14, 20, 30 или 40 точек ввода/вывода. [5] Выберем на 14 точек ввода/вывода (Рисунок 3).

Рисунок 3 - CP1L-L14D

.        Расчет передаточных функций системы управления

.1 Передаточная функция двигателя

Передаточная функция асинхронного двигателя имеет вид [6]:

Wад (p)= =

Рассчитаем параметры передаточной функции:

Kад====0.551

Тм ==J∙= 0,0509∙= 0.528 [с]

Тэм ===== 0.0113 [с]

Тогда передаточная функция двигателя будет иметь следующий вид:

Wад (p)=

.2 Передаточная функция управляемого силового преобразователя

В общем виде передаточная функция УСП, согласно формуле , имеет вид:

Величина запаздывания является бесконечно малой величиной, а постоянная времени является величиной того же порядка, что и запаздывание, следовательно передаточная функция управляемого силового преобразователя принимает вид :

По формуле рассчитывается величина коэффициента передачи управляемого силового преобразователя:

.3 Передаточная функция энкодера

Передаточная функция энкодера записывается в виде отношения выходного напряжения (2,5 (В) согласно документации), на номинальную скорость вращения двигателя (720 (об/мин)=75,4 (рад/с))

Коэффициент передачи энкодера рассчитывается по формуле

4.      Расчет параметров структурной схемы

При управлении асинхронным двигателем будем использовать такую разновидность векторного управления как трансвекторное управление. Такой принцип управления заключается в раздельном управлении магнитным потоком и моментом асинхронного двигателя с помощью независимых составляющих тока статора, соответствующих проекциям вектора тока на оси системы координат, ориентированной по направлению вектора магнитного потока. Данный принцип позволяет получить схему системы управления асинхронным двигателем, аналогичную эквивалентной схеме системы управления двигателем постоянного тока. При этом продольная составляющая тока статора i1d играет в АД роль тока возбуждения ДПТ, а поперечная составляющая i1q является аналогом тока якоря ДПТ [5].

Входными величинами являются задающие значения потокосцепления Ψзад и частота вращения ωзад. Первую из величин застабилизируем - примем равной нулю (Ψзад=const=0), следовательно, данную ветвь можно исключить из схемы. Тогда общий вид структурной схемы рассматриваемой электромеханической системы будет иметь следующий вид (Рисунок 4):

Рисунок 4 - Структурная схема

Рассчитаем теперь необходимые параметры и недостающие передаточные функции звеньев приведенной структурной схемы.

Для расчета параметров передаточной функции потребуются значения параметров схемы замещения двигателя АИР80А4 в номинальном режиме (Таблица 4):

Вычислим вначале параметры передаточной функции цепи обмотки статора с индуктивностью от потока рассеяния. Коэффициент рассеяния машины:

σ =1 - =1-=1-=1-= 0,0483;

Постоянная времени:

Т1=====0.115 [с];

Активное сопротивление обмотки статора:

R1 =0.076 [Ом];

Приведем теперь параметры передаточной функции второго из звеньев, описывающих двигатель. Суммарный момент инерции подвижных масс:

J = JΣ = 0.216 [кг∙м2];

Рассчитаем параметры передаточной функции автономного инвертора:

Tμ=== 0.001 [c];

Рассчитаем коэффициент передачи обратной связи по противоэдс:

Кэ==== 0.9687;

Передаточная функция для регулятора тока в этом случае будет иметь следующий вид:

Wрт(p)== ;

Тогда передаточная функция регулятора скорости имеет вид:

Wрс(p)==

5.      Расчет основных возмущающих воздействий

.1 Расчет возмущающих воздействий двигателя

Одним из основных возмущающих воздействий двигателя является изменение его скорости вращения, обусловленное видом его механических характеристик. По формуле найдем:

hад= s ∙ nсинх.ном = 0,004∙ 1500 =6 [об/мин]. 

.2 Расчет возмущающих воздействий преобразователя

Основным возмущающим воздействием управляемого преобразователя будет изменение напряжения питающей сети. Величину данной помехи возьмем согласно стандарту ГОСТ 13109-97. Колебания напряжения питающей сети определяются предельно допустимым значением суммы установившегося отклонения напряжения δUy и размаха изменений напряжения δUt в точках присоединения к электрическим сетям [5].При напряжении 0,38 кВ это значение равно ± 10 % от номинального напряжения:

hучп= 0,1 ∙ nдв.ном = 100 [об/мин]

hдс== ± 0,00033 [об/мин]

5.4 Суммарная ошибка возмущающих воздействий

Суммарная ошибка, влияющая на выходную величину системы, будет получена по формуле:

h= hдпт+ hучп+ hдс=6 + 100+0,00033= 106,00033 [об/мин];

nверх=720.3 [об/мин]=100% => h= 14.7%

Согласно техническому заданию, общая ошибка не должна превышать 7%. По расчетным данным основных ошибок можно сделать вывод, что ошибка превышает данное значение, значит нужно скорректировать систему, это сделаем в пункте 6.

6.     

.        Настройка системы на технический оптимум

Настроим систему на технический оптимум для объекта регулирования- апериодического звена второго порядка.

;

Где  - коэффициент объекта регулирования; , - постоянные времени объекта регулирования.

При настройки системы на технический оптимум выполняется следующее соотношение:

которое определяет передаточную функцию регулятора:

, где

данное выражение представим в виде соединения элементарных звеньев, получим:

где первый член выражения определяет пропорциональное изменение входного сигнала, второй - его интеграла, а третий - его производной.

-передаточная функция регулятора.

-малая не компенсируемая постоянная времени.

-коэффициент усиления усилителя мощности

-коэффициент усиления объекта регулирования

-коэффициент обратной связи.

С помощью программы MATLAB произведем настройку нашего двигателя на технический оптимум.

Для этого смоделируем в пакете MATLAB следующую схему (Рисунок 5):

Рисунок 5 - Смоделированная схема

Изменяя параметр  настроим систему на технологический оптимум.

Нам известны значения следующих параметров:

При  получим, что:

, , , .

Получим следующий переходный процесс (Рисунок 6):

Рисунок 6 - Переходный процесс модели

В итоге получаем, что статическая ошибка системы с возмущениями равна 0.03, что равно 0.04%, при заданной допустимой погрешности δ=7%.

8.      Расчет статизма

Для подсчета статизма системы определим коэффициент разомкнутой системы.

Структурная схема разомкнутой системы (Рисунок 7):

Рисунок 7 - Функциональная схема разомкнутой системы

Коэффициент усиления разомкнутой системы равен произведению коэффициентов усиления всех последовательно соединенных звеньев разомкнутой системы.

;

;

.

Рассчитаем статизм он не должен превышать 5%:

9.      Описание работы

Опишем работу проектируемого механизма автоматической подачи. Для начала работы нужно подать питание в помещение или цех где расположен станок путем включения рубильника который подключит 380В непосредственно от подстанции. Затем оператор станка закрепляет нужную ему заготовку и включает общее питание станка рубильником QF3 (нужно потянуть рубильник на себя до щелчка).

После того как питание подалось на электронику, можно включать контроллер и приступать к работе.

Для того чтобы подать питание на привод подачи и всю схему оператору необходимо нажать кнопку SB1.

Кнопками SB2, SB3 оператор может управлять движением суппорта. Нажав кнопку SB2, суппорт начнет движение вперед, отжав кнопку, движение вперед прекратиться. Движение назад управляется кнопкой SB3, принцип работы такой же, как и у кнопки SB2. По умолчанию скорость движения является медленной, для того что бы в любом из направлений увеличить скорость движения суппорта, необходимо перевести выключатель SA1 в верхнее положение, при желании вернуться в медленный режим, выключатель SA1 перевести в нижнее положение

В случае возникновения аварийной ситуации, оператор должен нажать кнопку SB4, что отключит питание всей системы управления.

Список использованных источников

1)      Асинхронные двигатели серии 4А: справочник/ А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболевская.- М.: Энергоатомиздат,198.-503с.

) Теория электропривода: Учебник для вузов. / Ключев В. И. - М.: Энергоатомиздат. 1985.-560 с., ил

) Каталог Altivar 58. Преобразователи частоты для асинхронных двигателей./ Schneider Electric/ апрель 2000 г.97 с.

) Altivar 58. Преобразователи частоты для асинхронных двигателей. Руководство по программированию./ Schneider Electric/ 53 с.

) Конспект лекций по курсу «Элементы и устройства систем управления» Михеева А.Г.

) Конспект лекций по курсу «Электромеханические системы» Щетинина В.Г.