Система управления электроприводом механизма горизонтального перемещения крана-штабелера

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

 

Кафедра «Электропривод и  автоматизация промышленных установок»

 

 

 

Оценка проекта:

Члены комиссии:

 

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ  МЕХАНИЗМА ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ 

КРАНА-ШТАБЕЛЕРА

 

Курсовой  проект

по дисциплине «Системы управления электроприводами переменного тока»

 

Пояснительная записка

 

 

 

 

 

Техническое задание

Разработать систему управления электроприводом механизма горизонтального  перемещения крана-штабелера с  учетом его конструктивных особенностей и требований технологического процесса. Исходные данные для обеспечения технологических требований представлены в таблице 1.1

Таблица.1.1 Исходные технологические данные

Технологические данные	Обозначение	Размерность	Значение
Максимальное количество ячеек (рядов) по длине		-	64
Длина ячейки		м	1
Масса незагруженного крана		кг	1600
Масса груза		кг	250
Номинальная скорость передвижения			1
Допустимое ускорение (замедление)			0,5
Число включений в час		-	60
Диаметр ходового колеса		м	0,2
Диаметр цапфы		м	0,06
Точность остонова		м	0,002
Путь перемещения на пониженной скорости в зоне точного останова		м	0,04
Расчетный путь		м	32

 

Система автоматического  управления электроприводом должна обеспечивать поддержание заданной скорости движения тележки. Для этого  необходимо получать информацию о текущей  скорости двигателя.

 

Требования к электроприводу:

Электропривод крана штабелера должен обеспечивать следующие требования:

1. Режим работы – повторно-кратковременный.
2. Диапазон регулирования скорости (при отсутствии контура положения) – до (в зависимости от требуемой точности позиционирования).
3. Необходимость точного позиционирования механизма в фиксированных точках.
4. Необходимость ограничения значений ускорения и замедления с целью предотвращения пробуксовки.
5. Возможность осуществления реверса.

Одним из ответственных моментов при разработке системы управления является выбор показателей качества и ограничений. Показатели качества определяют соответствие СУЭП своему назначению, а ограничения – надежность электропривода при эксплуатации. Показатели качества служат также для сопоставления вариантов систем управления электроприводов и выбора наилучшего варианта.

Система управления электроприводом  крана-штабелера имеет 1 класс по технологической цели управления, то есть целью управления данным приводом является формирование переходных процессов пуска, торможения и реверса.

На точность регулирования координат электропривода большое влияние оказывают возмущающие воздействия.

Главными возмущениями, снижающими точность регулирования координат, являются:

1. Динамическое изменение момента сопротивления и напряжения сети;
2. Параметрические возмущения в электродвигателях, полупроводниковых преобразователях и кинематических передачах;
3. Погрешности измерения датчиков информации;
4. Помехи в каналах управления.

Определяющим возмущением  для 1-ого класса СУЭП по технологической  цели управления является ударный момент нагрузки.

Для систем управления электроприводов, формирующих переходные процессы пуска  и торможения, используется аналоговый способ задания управляющего воздействия.

При   расчетах   систем   электропривода   предполагается,   что электрооборудование эксплуатируется  на высоте не более 800 м над уровнем  моря в условиях умеренного климата  в сухом отапливаемом помещении (климатические условия и категория  размещения У4 или УХЛ4 по ГОСТ 15150–69), при отсутствии в атмосфере токопроводящей пыли и коррозионно-активных веществ, а также при практическом отсутствии вибрационных нагрузок (группа эксплуатации М1 по ГОСТ 17516–70), степень защищенности электрооборудования и электродвигателей  от внешних воздействий должна быть не менее чем IР23 по ГОСТ 14294–72, 14494–72.

 

 

Содержание

Техническое задание 2

1. Введение 6

2. Обоснование технического задания на проектирование системы управления электропривода 9

3. Анализ характеристик силовой части электропривода как объекта управления 13

3.1 Расчет параметров модели силовой части. 13

3.1.1 Номинальные данные двигателя 13

3.1.2 Расчет номинального режима двигателя. 14

3.1.3 Параметры модели асинхронного двигателя 15

3.1.4 Параметры модели двигателя в относительных единицах. 16

3.2 Матиматическая модель силовой части частотнорегулируемого асинхронного электропривода 19

4. Синтез векторной системы управления с ориентацией поля ротора в системе координат с управляемой скоростью 27

4.1 Функциональная схема векторной системы управления с косвенной ориентацией 27

4.2 Синтез регуляторов 29

4.2.1 Синтез регулятора преобразованных токов статора 34

4.2.2 Синтез регулятора потокосцепления 35

4.2.3 Синтез регулятора электромагнитного момента 37

4.2.4 Синтез регулятора скорости 39

4.2.5 Развернутая функциональная схема 42

4.2.6 Построение полной структурной схемы 44

5. Моделирование системы управления электропривода 46

6. Выбор преобразователя частоты 51

Заключение 56

Список литературы 57

 

 

1. Введение

Известно, что примерно 70% электроэнергии, потребляемой промышленным предприятием, приходится на электродвигатели переменного тока – синхронные или  асинхронные с короткозамкнутым ротором. Асинхронные машины просты, надежны и сравнительно дешевы, но обладают одним недостатком, существенно  влияющим на экономичность: у них  постоянная частота вращения, практически  не зависящая от нагрузки, в то время  как большая часть нагрузочных  механизмов, особенно таких, как центробежные вентиляторы, насосы, компрессоры, работают в переменном режиме.

Устройства частотного регулирования  позволяют управлять скоростью  и моментом электродвигателя по заданным параметрам в соответствии с характером нагрузки, следовательно – реализовать  наиболее экономичный режим любого процесса. Оснащение электродвигателей  преобразователями частоты, внедрение  частотно-регулируемого привода  достаточно перспективное направление, как с точки зрения энергосбережения, так и для автоматизации технологических  процессов. ЧРП повышает управляемость  электромеханических систем по технологическим  требованиям, позволяет минимизировать установленные мощности и оптимизировать энергопотребление. Система «преобразователь частоты – асинхронный двигатель» (ПЧ-АД) позволяет оптимизировать рабочие  графики и энергопотребление  технологических комплексов и систем. Кроме того, преобразователь частоты, помимо регулирования скорости электродвигателя, выполняет функцию защиты электродвигателя и приводного механизма. Современные  преобразователи частоты позволяют  анализировать пусковые и рабочие  характеристики электродвигателя, отслеживать  изменения в работе исполнительных механизмов в течение их жизненного цикла. Это значительно увеличивает  ресурс работы электродвигателя, исполнительных механизмов. За счет функции плавного пуска величина пускового тока может  не превышать величины номинального тока двигателя, что снижает нагрузки на пускорегулирующую аппаратуру и электрическую сеть.

Все это способствует тому, что регулируемый асинхронный электропривод  успешно конкурирует и вытесняет  с рынка регулируемый привод постоянного  тока.

Основные направления  использования частотно-управляемых  электроприводов:

   1. Замена регулируемых  приводов постоянного тока.

   2. Модернизация релейно-контакторных  приводов переменного тока, например, подъемно-крановые механизмы и  электрический транспорт.

   3. Модернизация нерегулируемых  электроприводов переменного тока  для таких механизмов, как вентиляторы, компрессоры, насосы, транспортеры.

   4. Создание принципиально  новых непосредственных линейных  электроприводов технологических  и транспортных механизмов.

Примерно 80% всех электродвигателей  переменного тока, работающих на российских предприятиях, нуждаются в частотном  управлении. Внедрение частотно-регулируемого  привода, в зависимости от его  режимов работы, позволяет экономить 30-65% потребляемой электроэнергии, а  сроки окупаемости сегодня составляют один-два года (при сегодняшних  тарифах).

Эффективность применения частотно-регулируемого  привода и сроки его окупаемости  напрямую зависят от режимов работы привода, его технологических особенностей, степени автоматизации привода  и технологической установки, в  которую данный привод входит. Таким  образом, для эффективного внедрения  частотно-регулируемого привода  необходимо решить целый комплекс вопросов. Наиболее актуальными являются следующие  вопросы:

– На какие электроприводы целесообразно ставить преобразователи  частоты в первую очередь. По мнению специалистов, внедрение ПЧ целесообразно  в случаях, когда привод работает в режимах переменных нагрузок, причем перепады нагрузки должны составлять не менее 20-30%. Внедрение частотного привода наиболее эффективно при применении преобразователей частоты на всех механизмах технологической цепи с обеспечением верхнего уровня автоматизации.

– Какова эффективность и  срок окупаемости инвестиций во внедрение  ЧРП – этим определяется эффективность  внедрения привода. Срок окупаемости  проекта внедрения зависит от многих параметров и может составлять от одного года до трех лет, при больших  сроках окупаемости применение привода, как правило, признается нецелесообразным.

Оптимальное решение всех вопросов, связанных с внедрением частотных приводов на предприятии, способны предложить инжиниринговые компании, осуществляющие комплексный подход к решению проблем заказчика – от предпроектной стадии (консультации, проведение обследований, разработка Технических предложений) до сдачи работ «под ключ» и обеспечения сервисного сопровождения. Только в этом случае можно избежать неоправданных затрат и рассчитывать на экономический эффект.

 

2. Обоснование технического задания на проектирование системы управления электропривода

Для осуществления автоматического  регулирования частотно-управляемыми асинхронными электроприводами в настоящее  время определились два основных пути, базирующиеся на скалярном (или  амплитудном) и векторном принципах  частотного управления.

Скалярный (амплитудный) принцип управления характеризуется воздействием системы автоматического управления (САУ) электроприводом только на частоту и амплитудные значения (или ) основных (первых) гармонических составляющих выходных фазных напряжений (или токов) статических преобразователей частоты. Важно обратить внимание на то обстоятельство, что при данном управлении не осуществляется непосредственного регулирования тригонометрических аргументов (фазовых углов) основных гармонических составляющих фазных статорных напряжений (или токов). То есть, при скалярном управлении однозначно не задается (и потому фактически остается неопределенным) необходимое значение аргумента соответствующего создаваемого обобщенного вектора основных гармоник статорного напряжения или тока. Именно исходя из указанной особенности, не позволяющей однозначно формировать обобщенные векторы основных гармоник выходного напряжения (или тока) преобразователя частоты, данное управление (ограниченное, таким образом, регулирующими воздействиями только на модуль и частоту обобщенного вектора) и получило свое название "скалярного (или амплитудного) принципа управления".

Существенный недостаток скалярного управления связан с неполным учетом при указанном управлении внутренних электромагнитных процессов, протекающих в асинхронной машине. Это, в свою очередь, приводит к ухудшению динамических свойств (снижению быстродействия, увеличению перерегулирования и колебательности электромеханических процессов) электропривода в переходных режимах его работы и в ряде случаев может вызвать потерю устойчивости (недопустимые автоколебания) работы электропривода даже в стационарных режимах.

По отмеченным причинам скалярное  управление (хотя до настоящего времени  и продолжающееся реализовываться всеми ведущими мировыми фирмами - производителями частотно-регулируемых электроприводов) используется, как правило, применительно лишь к большому классу нединамичных общепромышленных приводов (насосы, вентиляторы), характеризующихся: функционированием основную часть времени в стационарных (или близких к ним) режимах, плавными режимами пуска и торможения, отсутствием резкого изменения нагрузки. При этом техническая реализация САУ частотно-регулируемыми асинхронными электроприводами на основе рассмотренного скалярного принципа управления на практике оказывается существенно проще по сравнению с САУ, создаваемыми на основе другого - векторного принципа управления.

Векторный принцип управления заключается: наряду с осуществляющимися (как при скалярном управлении) регулирующими воздействиями САУ электроприводом на частоту , и амплитуду (или ) основных гармонических составляющих фазных статорных напряжений (токов) машины, также - в дополнительном одновременном регулировании тригонометрических аргументов (фазовых углов) основных гармонических составляющих фазных статорных напряжений (или токов) асинхронной машины. Как следствие, при векторном управлении (в отличие от рассмотренного предыдущего скалярного) от САУ электроприводом единственным образом (т.е. - однозначно) задается текущее (мгновенное для любого момента времени) значение обобщенного вектора основных гармоник статорного напряжения  или тока машины. Именно, исходя из последней особенности (обеспечивающей полное и однозначное регулирование упомянутых обобщенных векторов основных гармоник статорного напряжения или тока машины) данное управление общепризнанно получило название "векторного".

 

За счет полного (однозначного) управления текущим значением обобщенного вектора основных гармоник статорного напряжения (тока) машины, при векторном управлении становится возможным регулирование, в свою очередь, мгновенных (текущих) значений потокосцеплений и электромагнитного момента асинхронной машины. Такое регулирование требуется при создании высококачественных (с повышенным быстродействием и точностью) САУ частотно-регулируемых электроприводов.

Если сравнить между собой  в стационарных режимах качество частотно-регулируемых асинхронных электроприводов со скалярным и с векторным управлением, то в указанных стационарных режимах реализуемое качество при одинаковых законах частотного управления машиной (характеризуемое статическими механическими характеристиками, точностью поддержания регулируемых параметров режима электропривода, энергетическими показателями машины) для обоих рассматриваемых принципов частотного управления практически равнозначно. Однако, главное существенное отличие между собой частотно-регулируемых электроприводов со скалярным и векторным управлением наблюдается в динамических режимах, где электроприводы с векторным управлением (в отличие от скалярного) обеспечивают в значительной степени лучшие динамические свойства (по быстродействию и возможности формировать желаемое качество электромагнитных и механических процессов), а также - гарантированную устойчивую свою работу в широких диапазонах регулирования скорости и изменения момента нагрузки машины.

Из этого следует основная и наиболее рациональная область  применения векторного принципа управления, заключающаяся в его использовании  для высокодинамичных (функционирующих  в условиях резких изменений электромагнитного  момента двигателя) и широкодиапазонных (с расширенными диапазонами изменения  скорости и момента нагрузки) частотно-регулируемых асинхронных электроприводов, к которым одновременно предъявляются повышенные требования по быстродействию или в части заданного (желаемого) качества формируемых переходных электромеханических процессов привода.

Таким образом, на основе выше сказанного для электропривода крана-штабелера  горизонтального перемещения в  курсовом проекте будет проектироваться  векторная система управления с  ориентацией поля ротора в системе  координат с управляемой скоростью (система управления с косвенной ориентацией), так как данный электропривод имеет явно выраженные динамические характеристики и требует формирования качественных переходных процессов. Выбрана система векторного управления с косвенной ориентацией, так как она является проще в конструктивном плане относительно систем управления с прямой ориентацией. Для построения систем с прямой ориентацией требуется наличие датчиков магнитного потока, которые являются очень ненадежными, что ограничивает применение подобных систем.

 

3. Анализ характеристик  силовой части электропривода как  объекта управления

При проектировании систем управления важным моментом является выбор математической модели силовой части объекта управления (ОУ). В составе автоматизированного электропривода объект управления включает в себя  преобразователь, двигатель и механизм.

 Так как в данном  проекте планируется использовать  векторную систему управления, то  целесообразно выбрать математическую  модель ОУ в которой фигурируют  только токи статора и потокосцепление  ротора.

Для построения модели объекта  управления необходимо произвести ряд дополнительных расчетов и преобразований.

1. Расчет параметров модели силовой части.

1. Номинальные данные двигателя

Номинальные данные приведены для 3-хфазного асинхронного двигателя 4А80А6У3.

Паспортные данные:

Полезная  мощность на валу двигателя:

 

Номинальное фазовое напряжение:

 

Номинальный фазный ток статора:

 

Номинальная частота напряжения статора:

 

Синхронная частота вращения:

 

Номинальное скольжение двигателя:

 

 

Число пар  полюсов:

 

Параметры для Т-образной схемы замещения  асинхронного двигателя:

Активное сопротивление обмотки статора:

 

Индуктивное сопротивление  рассеяния обмотки статора:

 

Главное индуктивное сопротивление:

 

Активное сопротивление  обмотки ротора, приведённое к  параметрам статора:

 

Индуктивное сопротивление  рассеяния обмотки ротора, приведённое  к параметрам статора:

 

Т-образная схема замещения асинхронного двигателя

 

Рис. 3.1

2. Расчет  номинального режима двигателя.

1. Номинальная угловая  скорость

 

2. Номинальная скорость вращения ротора:

 

3. Абсолютное скольжение:

 

4. Составляющая  тока статора по оси 0x:

 

5. Составляющая  тока статора по оси 0y:

 

6. Модуль вектора  потокосцепления ротора:

 

7. Электромагнитный  момент:

3. Параметры модели асинхронного двигателя

1. Индуктивность рассеяния  обмотки статора:

 

2. Индуктивность рассеяния  обмотки ротора, приведенная  к  статору:

 

3. Коэффициент взаимоиндукции:

 

4. Полная индуктивность  обмотки статора:

 

5. Полная индуктивность  обмотки ротора:

 

6. Постоянная времени  цепи ротора:

 

7. Коэффициент связи  ротора:

 

8. Эквивалентная индуктивность  рассеяния фазы двигателя:

 

9. Эквивалентное активное сопротивление фазы двигателя:

 

10. Электромагнитная  постоянная времени:

4. Параметры модели двигателя в относительных  единицах.

Базисные величины:

1. Базисная угловая частота:

 

2. Базисный момент:

 

3. Базисная механическая скорость:

 

4. Базисный ток:

 

5. Базисное напряжение:

 

6. Базисное потокосцепление:

 

7. Базисное сопротивление:

 

8. Базисная индуктивность:

 

Для цепи ротора принял те же базисные величины, что и для цепи статора.

Параметры двигателя в относительных  единицах:

1. Эквивалентное сопротивление фазы двигателя в о. е.:

 

2. Эквивалентная индуктивность  рассеяния фазы двигателя в о. е.:

 

3. Индуктивность рассеяния  обмотки статора в о. е.:

 

4. Индуктивность рассеяния  обмотки ротора в о. е.:

 

5. Коэффициент взаимоиндукции в о. е.:

 

6. Полная индуктивность  обмотки статора в о. е.:

 

7. Полная индуктивность обмотки  ротора в о. е.:

 

8. Активное сопротивление  статора в о. е.:

 

9. Активное сопротивление  ротора в о. е.:

 

10. Коэффициент затухания  цепи ротора:

 

11. Механическая  постоянная времени:

 

Для удобства дальнейших расчетов все параметры представим в таблице 3.1.4.1

Таблица 3.1.4.1 Значение параметров модели АД в физических и относительных единицах

Обозначение параметра в абсолютных единицах	Значение параметра в абсолютных единицах	Обозначение параметра в относительных  единицах	Значение параметра в относительных  единицах

 

2. Матиматическая  модель силовой части частотнорегулируемого асинхронного электропривода

В общем случае модель электромеханической  системы с асинхронным двигателем состоит из системы уравнений  электромагнитных контуров АД, уравнения  электромагнитного момента АД и  уравнений механической части. Также  данная система уравнений может  быть дополнена уравнениями для  расчета мощностей и потерь в  электромеханической системе.

Исходно уравнения электромагнитных контуров записываются для каждой фазы АД. Для трехфазной машины в этом случае существуют три уравнения  статорных и три уравнения  роторных цепей. При этом электромагнитные связи обмоток статора и ротора описываются с помощью переменных коэффициентов взаимоиндукции, зависящих  от угла поворота ротора относительно статора. В случае соединения обмоток  двигателя в звезду без нейтрального провода трехмерная модель симметричного  АД оказывается избыточной, так как  уравнения для фазных переменных (напряжений, токов, потокосцеплений) являются линейно зависимыми.

Тогда для устранения избыточности исходной системы, а также для  устранения периодических коэффициентов  в уравнениях целесообразно преобразовать  исходные уравнения от трехмерной к  вращающейся свободно ориентированной  двухмерной системе координат.

Для минимизации числа  математических операций целесообразно  использовать двухэтапное преобразование координат. В этом случае при прямом преобразовании координат на первом этапе переходят от неподвижной  трехфазной модели к неподвижной  двухфазной. На втором этапе вводят векторное преобразование поворота и, тем самым, переходят к вращающейся системе координат.

Геометрическая интерпретация  преобразования переменных на примере  вектора напряжения статора показана на следующей векторной диаграмме:

Геометрическая  интерпретация преобразования переменных

 

Рис. 3.2.1

где:

–неподвижная трехфазная система координат;

 – неподвижная прямоугольная  система координат;

– прямоугольная система координат, вращающаяся с произвольной скоростью ;

 – вектор напряжения статора;

 – проекции вектора напряжения статора на оси 0xи 0yсоответственно;

 – угловая скорость  прямоугольной системы координат;

 – угловая скорость  вектора напряжения статора;

 – угол поворота  системы координат  относительно неподвижной оси ;

 – угол поворота  вектора напряжения статора относительно  неподвижной оси ;

Для упрощения модели объекта  управления используем математический прием ориентации системы координат. Под ориентацией понимается совмещение одной из оси прямоугольной системы координат с ориентирующим вектором. В качестве варианта ориентации системы координат была выбрана косвенная ориентация, то есть ориентация поля ротора в системе координат с управляемой скоростью.