Управление синхронным двигателем

       Аннотация 

       В дипломном проекте была спроектирована цифровая система векторного управления синхронным двигателем компрессорной установки, обеспечивающая автоматическое поддержание заданного давления воздуха в ресивере. Произведено математическое моделирование поведения данной системы управления в различных ситуациях, приведены графические зависимости иллюстрирующие переходные процессы. Рассчитаны и выбраны элементы силового канала электропривода, а также элементы блока управления, диагностики и защиты. Кроме того, в данном дипломном проекте представлено технико- экономическое обоснование целесообразности применения данного варианта технического решения, произведены патентные исследования, рассмотрены вопросы охраны труда, безопасности при эксплуатации и техническом обслуживании электропривода. Оценены экономический эффект от внедрения спроектированного электропривода, затраты на его изготовление и эксплуатацию. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание

                                                                                                        с

Стандартизация .87

Список  литературы........ ...............................................93

Приложение

Введение 

       Электроэнергетика более чем какая-либо отрасль  народного хозяйства определяет уровень экономического развития страны. Рост мощностей энергосистем, разработка новых методов генерирования, передачи и распределения электроэнергии, более широкое распространение использования электроэнергии во всех отраслях промышленности находится в непосредственной связи с созданием и развитием автоматизированных систем управления энергетическими производственными процессами.

       В настоящее время все более  важную роль в промышленности стали  играть механизмы, приводимые в движение электроприводами. При создании электропривода, как правило, решается ряд противоречивых задач, таких как: максимум быстродействия, минимум потерь, максимум КПД, и минимум массы, объема и энергоемкости его производства.

       Среди различных видов приводов (гидравлические, пневматические и др.) электропривод занимает ведущее место. В современном промышленном производстве электропривод потребляет более 60% вырабатываемой в стране электроэнергии. Такое широкое применение ЭП объясняется целым рядом его достоинств и преимуществ по сравнению с другими видами приводов.

       Электроэнергия  достаточно легко может быть преобразована  в другие виды энергии, ее можно передавать на большие расстояния при сравнительно небольших потерях, она легко распределяется между потребителями.

       Поэтому электроэнергия широко используется во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте и в быту. Кроме того, существующие электропривода перекрывают большой диапазон изменения мощности и

       скорости, а разнообразие конструктивных исполнений, простота автоматизации- технологических процессов, высокий КПД и экологическая   

чистота преобразования энергии выгодно отличают электропривод от других видов приводов.

       Рассматривая  все многообразие современных производственных процессов, в каждом конкретном производстве можно выделить рад операций, характер которых является общим для различных областей народного хозяйства. К их числу относятся доставка сырья и полуфабрикатов к источникам технологических процессов и межоперационные перемещения изделий в процессе обработки. Общепромышленные механизмы играют в народном хозяйстве страны важную роль. Они являются основными средствами автоматизации и механизации различных производственных процессов. Поэтому уровень промышленного производства и производительность труда в значительной степени зависят от оснащенности производства общепромышленными механизмами и от их технического совершенства.

       Электропривод является наиболее мобильной и быстро-развивающейся  отраслью машиностроения, позволяет эффективно решать сложные и ответственные задачи, связанные с повышением производительности, точности и автоматизации оборудования.

       Современный электропривод представляет собой  сложный комплекс электромеханических устройств, а также средств автоматического управления, базирующихся на новейших достижениях в области электромашиностроения, силовых полупроводниковых приборов, микропроцессорной и компьютерной технике.

       Технический прогресс в области электротехники и электроники привёл к существенным изменениям в теории и практике электрического привода. Эти изменения, прежде всего, касаются создания новой элементной базы и технических средств автоматизации, быстрого расширения областей и объёмов применения регулируемого электропривода.

       Существенные  изменения произошли также в  развитии автоматических систем управления электроприводами с применением цифро-аналоговых и цифровых систем управления на базе интегральных микросхем с очень вышкой степенью интеграции составляющих элементов.

       Как и прежде, электропривод остается силовой основой автоматизации  производственных процессов и основным потребителем электрической энергии. Основной тенденцией его развития является обеспечение наиболее полного удовлетворения требований обслуживаемых машин, механизмов и технологических линий. Наиболее эффективно это может быть реализовано при применении регулируемых электроприводов. Поэтому одной из главных задач является значительное расширение применения электроприводов на основе технически совершенных разработок.

       Проведенные исследования показывают, что на ряду с улучшением технических характеристик обслуживающих их механизмов, переход к регулируемому электроприводу может обеспечить в среднем снижение на 20=30% расхода электроэнергии, потребляемой электродвигателями. Использование регулируемого электропривода является наиболее выгодным энергосберегающим мероприятием, так как дополнительные затраты, связанные с его применением, окупаются за 1-3 года.

       Массовое  применение автоматизированного электропривода требует серийного производства современных силовых приборов и преобразователей на их основе, микропроцессорных средств управления, различных датчиков и защитной аппаратуры, специальных электрических двигателей.

       Автоматизированный  электропривод относится к быстропрогресси-рующим отраслям техники в связи с постоянным появлением новых более сложных и точных технологий, требующих усложнение задач управления и регулирования преобразованием электрической энергии в механическую.

       В области теории автоматизированного  электропривода приобретает актуальность разработка обобщенных методов, позволяющих автоматизировать технические решения на стадии проектирования.

       Появление на рынке производителей широкой  номенклатуры микропроцессорных устройств, программируемых контроллеров, микро-ЭВМ  позволяет широко развернуть научные работы по созданию и внедрению адаптивных алгоритмов управления.

         Технико-экономическая задача, решаемая в сфере производства с учетом свободного рынка, заключается в выборе оптимальной номенклатуры электроприводов для массового, крупносерийного, мелкосерийного и индивидуального производства Сложность организации работ определяется тем, что развитие электропривода должно быть связано с развитием электродвигателей, полупроводниковых приборов и других изделий силовой электротехники, а также с развитием средств автоматизации.

       Целью настоящего дипломного проекта является разработка экономичного электропривода компрессорной установки для автоматического поддержания давления на заданном уровне при изменении расхода воздуха.

       Кроме того, в данную пояснительную записку включены результаты работы на всех этапах проектирования. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Техническое задание 

1. Наименование и область применения.

      Регулируемый электропривод компрессорной установки предназначен для автоматического регулирования и/или поддержания давления воздуха в системе на заданном уровне независимо от колебания расхода воздуха

2. Основание для разработки.

      Основанием для разработки является задание на дипломный проект.

3. Цель разработки.

      Целью разработки является модернизация электроснабжение зернохранилищ семеноводческого хозяйства "Дятьково" с применением автоматизированного электропривода при хранении зерна.

4. Технические требования.
1. Требования к параметрам. - Номинальное давление воздуха в системе –

      5 атм. - Статическая ошибка поддержания давления не более ± 10%. - Время установления номинального давления не более 30 сек

2. Требования к электроприводу.

      Питание электропривода должно осуществляться от сети трехфазного переменного тока напряжением 380 В +10% ... -15%, промышленной частоты 50 Гц ±2%.

3. Требование к безопасности.

      Система управления должна исключать самопроизвольное включение при подаче питающего напряжения. Электробезопасность по ГОСТ 12.1019-88.

4. Требования к монтажу электрических цепей и заземлению.

      Требования должны соответствовать:

      ГОСТ 12.2.007.0-75;

      ГОСТ 12.2.007.7-83;

      ГОСТ 12.2.007.14-75; 

      ГОСТ 12.1.030-81, а также «ПУЭ».

5. Требования к условиям эксплуатации.

      Электропривод должен эксплуатироваться в закрытых отапливаемых помещениях, соответствующих действующим «Санитарным нормам проектирования промышленных предприятий», в районах с умеренным и холодным климатом (климатическое исполнение УХЛ, категория размещения 4 по ГОСТ 15543.1-89).

      Температура окружающей среды +5 ... +40 °С.

      Высота  над уровнем моря до 1000 м.

      Окружающая  среда не взрывоопасная, не содержащая агрессивных газов и паров в концентрациях, разрушающих металлы и изоляцию, не насыщенная токопроводящей пылью и водяными парами.

      Содержание  нетокопроводящей пыли в помещениях и в охлаждающем воздухе не более 0,7 мг/м³.

      Место установки электропривода должно быть защищено от попадания эмульсий, масел и т.п.

6. Требования к ремонтопригодности.

      Электропривод должен быть ремонтопригодным согласно ГОСТ 12.2.033-85 и комплектоваться ЗИП.

5. Общие экономические требования

       Общие экономические требования должны соответствовать требованиям ГОСТ 12.2.049-80. 
 
 
 
 
 
 
 

        2. Технико-экономическое обоснование

       Современный регулируемый электропривод содержит, как правило, статический (электронный) преобразователь электроэнергии, с помощью которого обеспечивается экономичное и плавное регулирование параметров движения в широком диапазоне, формирование переходных процессов с заданным качеством, автоматизация процессов управления.

       Тип управляемого преобразователя, тип  электродвигателя, а также способ управляющего воздействия на двигатель определяют в целом систему электропривода. В настоящем дипломном проекте разрабатывается новая система управления синхронным электроприводом компрессорной установки, позволяющая более рационально использовать возможности поршневого компрессора, увеличивая тем самым экономичность привода.

       Основная  функция компрессорной установки - это снабжение предприятия сжатым воздухом высокого давления. Основная цель - автоматическое поддержание давления в магистрали на заданном уровне вне зависимости от изменения расхода воздуха. В данный момент продувка каждого бункера зернохранилища осуществляется автономно - сжатым воздухом, с помощью вентилятора, приводимого асинхронным двигателем. Реально, в настоящее время, для этих целей используются двадцать четыре (24) автономных электропривода, что является, с является по моему мнению весьма не экономично.

       В результате чего, возникает необходимость  модернизации электроснабжения продувки с применением автоматизированного электропривода компрессорной установки.

       С этой целью проанализируем существующие схемы применяемые к компрессорным  установкам. 
 
 

       Рассматриваемая компрессорная установка имеет  в качестве приводного устройства - синхронный двигатель.

       Силовая схема подключения синхронного  двигателя к сети приведена на рисунке 2.1. Питание статора синхронного двигателя осуществляется через последовательно соединенные автоматический выключатель QF1 и контактор КМ1.

       Подключение синхронного двигателя к сети.

              Рисунок 2.1 Синхронный двигатель. Схема силовая 

       В состав возбудителя обмотки возбуждения  синхронного двигателя входят асинхронный  двигатель М и генератор постоянного  тока G. Питание асинхронного двигателя осуществляется через автоматический выключатель QF2 ж контактор КМ2. Автоматический выключатель QF1 является общим, т.е через него одновременно питаются как синхронный так и асинхронный двигатели. Такое построение силовой схемы необходимо для безопасности персонала, т.е чтобы в случае аварии или при оперативном отключении, снималось питание как со статора синхронного двигателя, так и с его обмотки возбуждения. Генератор постоянного тока электрически соединен напрямую с обмоткой возбуждения синхронного двигателя.

       Пуск  синхронного двигателя в работу осуществляется путем подачи на

статор  трехфазного напряжения посредством  замыкания выключателя QF1 и контактора КМ1. При этом обмотка возбуждения синхронного двигателя закорочена на якорь генератора постоянного тока. При таком схемотехническом решении происходит так называемый асинхронный пуск синхронного двигателя. Большой пусковой ток не причиняет никакого вреда коллектору генератора постоянного тока благодаря тому, что последний специально спроектирован для применения в качестве возбудителя.

       После набора ротором синхронного двигателя скорости близкой к скорости холостого хода замыкаются контакты выключателя QF2 и контактора КМ2. Запускается асинхронный двигатель М и приводит во вращение вал генератора постоянного тока G, который самовозбуждается и начинает питать обмотку возбуждения синхронного двигателя, который через некоторое время начинает благодаря этому работать синхронно с сетью (втягивается в синхронизм). Регулировка тока возбуждения синхронного двигателя производится путем изменения сопротивления реостата RP, включенного последовательно с параллельной обмоткой возбуждения LM генератора G. Данное схемотехническое решение устарело как морально, так и технически и имеет существенные недостатки:

      -  применение в качестве возбудителя  синхронного двигателя - системы  асинхронный двигатель-генератор постоянного тока, приводит к значительному удорожанию всей установки в целом, а также к невозможности автоматической стабилизации тока возбуждения, который как известно, определяет величину электромагнитного момента на валу синхронного двигателя;

      -   при пуске синхронного двигателя  появляется большой пусковой  ток, который снижает срок службы как возбудителя, так и синхронного двигателя;

      - при прохождении электрического  тока через реостат происходит  выделение тепла, что приводит  к дополнительным потерям энергии и как следствие к уменьшению общего КПД системы;

-  регулировка и подстройка тока возбуждения синхронного двигателя при входе последнего в синхронизм с сетью или будучи уже синхронизированным производится вручную оператором, что часто приводит к выходу двигателя из синхронизма с питающей сетью и как следствие - броскам тока, приводящим к динамическим ударам.

       Приведенные выше недостатки можно исключить  путем замены существующего возбудителя на полупроводниковый преобразователь на основе транзисторных силовых ключей, имеющего автоматическую регулировку и стабилизацию на заданном уровне тока возбуждения синхронного двигателя.

       При анализе работы компрессорной установки  видно, что существующая система  регулирования производительности имеет существенный недостаток:

из-за невозможности  изменения скорости вращения вала компрессора, единственным способом поддержания давления является принудительное регулирования производительности компрессора оператором путем «стравливания» липшего воздуха из ресивера в атмосферу посредством пневматических вентилей. При этом получается так, что двигатель потребляет одну и туже мощность при различной производительности компрессора, что приводит к сильному снижению его КПД ж как следствие неэкономному расходу электроэнергии.

       Данный  недостаток можно исключить при  регулирования производительности компрессора путем изменения скорости вращения ротора синхронного двигателя, а достичь последнего можно благодаря питанию обмотки статора от преобразователя частоты.

       В качестве преобразователя частоты  в данном случае применяется полупроводниковый преобразователь. До недавнего времени в качестве полупроводниковых преобразователей частоты применялись тиристорные преобразователи, которые имели сложную систему импульсно - фазового управления, удовлетворительные энергетические показатели вследствие несинусоидальной формы кривой тока или напряжения на выходе, а также большие массогабаритные показатели. Но в настоящее время благодаря стремительному развитию полупроводниковой элементной базы появились новые мощные полностью управляемые силовые транзисторные ключи.

       Интегральные  схемы MOSFET и IGBT транзисторов и модули на их основе вытеснили практически из всех областей применявшиеся ранее тиристоры при тех же значениях коммутируемого тока и напряжения. Они имеют значительно меньшие мощность управления, стойкость к перегрузкам по току и напряжению, более широкую область безопасной работы, более высокие частоты коммутации (до 50 кГц); снижены массогабаритные показатели, повышены значения КПД, надежности и так далее.

       Поэтому в данном случае наиболее экономичным, прогрессивным и простым вариантом решения, будет применение полностью управляемого преобразователя частоты на основе транзисторных силовых ключей для питания обмотки статора синхронного двигателя.

       При этом представляется возможность применения автоматической системы регулирования и поддержания давления воздуха в магистрали.

       Система управления может быть выполнена  полностью цифровой на базе микроконтроллера или цифро-аналоговой.

       При использовании такой системы  управления можно добиться значительной экономии электроэнергии и продления срока службы компрессора.

       Также можно полностью автоматизировать управление компрессором, слежение за его состоянием и.т.д. на расстоянии, путем добавления в систему управления последовательного интерфейса RS485 для возможного включения последней в локальную информационную сеть. 
 
 
 
 
 
 

        3. Патентное  исследование 

       В процессе проектирования возникает  необходимость в многократной оценке отдельных вариантов решений  и сравнения их друг с другом или  с базовым вариантом для дальнейшей разработки и оценки, поскольку окончательное решение должно соответствовать предъявляемым требованиям.

       Оцениваются и сравниваются в первую очередь  технические, технологические и экономические параметры возможных вариантов решения

       При оценке технических характеристик  проверяется степень соответствия выбранного решения поставленной задаче. Для этого производится сравнение наиболее важных технических показателей с заданными значениями, содержащимися в техническом задании.

       При оценке технологических параметров исследуют степень обеспечения низкой себестоимости изготовления, наладки, эксплуатации и высокой производительности.

       Патентные исследования проводят с целью получения  последних достижений науки и техники в интересующем разделе, что помогает инженеру- конструктору применить наилучший вариант решения поставленной задачи, оценить патентную чистоту своей разработки или изобретения.

       Устройство для управления синхронным двигателем:

А.С. 2134481, RU, МПК⁶, H02P21/00, Иванов Е.С.; - № 98114743/09;

Заявл. 1998.07.28, Опубл. 1999.08.10. 
 
 
 
 
 

       Изобретение относится к электроприводам  на базе синхронных двигателей и может  иметь промышленное применение, например, в робототехнике, в устройствах жизнеобеспечения в космосе (центрифугах, сепараторах, компрессорах). Существо изобретения заключается в том, что в устройство для частотно- токового управления синхронным двигателем, содержащее блок управления, формирователь опорных гармонических функций одинарного угла поворота продольной оси ротора и датчик гармонических функций двойного угла поворота, введены блок датчиков фазных ЭДС, блок апериодических звеньев, и блок нормирования, при этом выходы упомянутого формирователя и выходы блока датчиков фазных ЭДС подключены к соответствующим входам блока апериодических звеньев, подключенного выходами к входам блока нормирования, выходы которого соединены с соответствующими входами для опорных функций блока управления и с дополнительными управляющими входами формирователя опорных гармонических функций одинарного угла поворота. Технический результат: в электроприводе устраняется начальная неоднозначность управления (несоответствие заданного и фактического направления вращения) и расширяется область его возможного применения. 4 ил.

       Способ управления синхронным двигателем:

А.С. 2134481, RU, МГЖ⁶, H02P21/00, Иванов Е.С.; - № 98114742/09;

Заявл. 1998.07.28, Опубл. 1999.08.10. 

       Изобретение относится к электроприводам  на базе синхронных двигателей и может  иметь промышленное применение, например, в робототехнике, в устройствах жизнеобеспечения в космосе /центрифугах, сепараторах, компрессорах. Существо изобретения: в способе управления синхронным двигателем, при котором определяют гармонические функции двойного угла поворота продольной оси ротора, преобразуют указанные функции в опорные гармоничные функции одинарного угла, формируют управляющее напряжение постоянного тока и подают токи в фазные обмотки двигателя в соответствии с упомянутым управляющим напряжением и полученными опорными функциями, в начальный момент управления непосредственно после подачи управляющего напряжения определяют начальное физическое направление вращения, сравнивают его с требуемым и при их несовпадении изменяют знаки опорных гармонических функций одинарного угла поворота продольной оси ротора. Технический результат: обеспечивается точное соответствие задаваемого и истинного направлений вращения двигателя, устраняется неоднозначность управления, определяемая электронным датчиком двойного угла, и расширяется область применения. 1 ил.