Літературний огляд сучасних методів керування. механізм крану підйому
КУРСОВИЙ ПРОЕКТ
з кредитного модуля « Автоматизація електромеханічних систем - 2»
на тему: «Система непрямого векторного керування кутовим положенням асинхроного двигуна»
Варіант 10
Студента IV курсу групи ЕП-32
Корнієнко Владислав Юрійович
Керівник
к.т.н., доц., Ковбаса С. М. Національна оцінка_______
Кількість балів:__________
Оцінка: ECTS___________
Члени комісії
________________ ________________________________________
(підпис) (вчене звання, науковий ступінь, прізвище та ініціали)
________________ _______________________________________
(підпис) (вчене звання, науковий ступінь, прізвище та ініціали)
________________ _______________________________________
(підпис) (вчене звання, науковий ступінь, прізвище та ініціали)
Київ – 2016 рік
Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
Кафедра автоматизації електромеханічних систем та електроприводу
Дисципліна (кредитний модуль): «Аавтоматизація електромеханічних систем-2»
Викладач: Пересада С.М.
Курс ІV, Група ЕП-32, Семестр 7
Завдання
на курсовий проект студента
Корнієнка Владислава Юрійовича
на тему:
«Система непрямого векторного керування кутовим положенням асинхроного двигуна»
1. Строк здачі студентом курсового проекту: 22.12.16 р.
2. Вихідні дані до проекту:
3. Зміст пояснювальної записки (відповідно до пунктів РСО):
4. Перелік графічного матеріалу з точним зазначенням обов’язкових креслень та їх формату:
5. Дата видачі завдання на курсову роботу: 13.09.2016 р.
Календарний план
(відповідно до РСО)
| № п/п | Назва пунктів курсової роботи | Строк виконання роботи | Бали, нараховані за виконання календарного плану | Підпис викладача |
| Пункт 1 | 27.09.16 | |||
| Пункт 2 | 11.10.16 | |||
| Пункт 3 | 24.10.16 | |||
| Пункт 4 | 15.11.16 | |||
| Пункт 5 | 15.11.16 | |||
| Пункт 6 | 22.11.16 | |||
Керівник роботи Ковбаса С.М. ____________
підпис
Студент Корнієнко В.Ю. ____________
підпис
Кількість балів за оформлення ___________ Кількість балів за захист__________________
Сумарна кількість балів_________________ Сумарна оцінка__________________________
Керівник роботи Ковбаса С.М. ___________
підпис
| Зм. |
| Арк |
| № докум. |
| Підпис |
| Дата |
| Арк |
| Розроб. |
| Корнієнко В.Ю. |
| Перев. |
| Ковбаса С. М. |
| Реценз. |
| Н. Контр. |
| Затверд. |
| Курсовий проект з кредитного модуля «автоматизація електромеханічних систем - 2» |
| Літ. |
| Аркушів |
Курсова робота виконана на 40 листах і містить 22 рисунка і 2 таблиці, та 2 додатка на А1.
Мета роботи – ознайомитися з методологічною основою прямого векторного керування, та навчитись проектувати системи основані на цьому методі керування.
Основні задачі:
1) Вивчити основні вимоги для механізму підйому, та вибрати оптимальну систему керування.
2) Виконати математичний опис прямого векторного керування, на основі чого побудувати структурну схему.
3) Перевірити роботу шляхом комп’ютерного моделювання і проаналізувати основні властивості цієї системи.
4) Підібрати основні силові елементи, та пристрої для керуючого перетворювача частоти.
5) Зробити висновки по отриманим результатам.
Основні терміни: ПЕРЕХІДНІ ПРОЦЕСИ, ЕЛЕКТРОПРИВІД, ВЕКТОРНЕ КЕРУВАННЯ, ЧАСТОТНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ, РОБАСНІСТЬ, АСИМПТОТИЧНІСТЬ.
Зміст
ВСТУП.. 6
1 ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД СУЧАСНИХ МЕТОДІВ КЕРУВАННЯ. МЕХАНІЗМ КРАНУ ПІДЙОМУ.. 7
2 РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ ТА СХЕМИ ЗАМІЩЕННЯ АСИНХРОННОГО ДВИГУНА.. 12
3 РОЗРОБКА СИСТЕМИ ВЕКТОРНОГО КЕРУВАННЯ АСИНХРОННИМ ДВИГУНОМ 16
4 МОДЕЛЮВАННЯ ПРЯМОГО ВЕКТОРНОГО КЕРУВАННЯ ДЛЯ АД.. 20
5 РОЗРАХУНОК ТА ВИБІР ОСНОВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ ПЕРЕТВОРЮВАЧА.. 35
ВИСНОВКИ.. 38
ЛІТЕРАТУРА.. 40
ВСТУП
Сучасні проблеми автоматизації вимагають нових та удосконалення старих систем управління. Тому дослідження векторного управління, як одного із найперспективнішіго напрямку розвитку вимагає детального аналізу для подальшого покращення даної системи управління електроприводом. В даному курсовому проекті будуть розглянуті базові принципи побудови алгоритмів непрямого векторного керування, методи робастифікації алгоритмів, а також методи дослідження статичних та динамічних властивостей спроектованих алгоритмів. Ця низка заходів допоможе у процесі виконання курсового проекту набути практичні навички щодо проектування та дослідження шляхом математичного моделювання статичних та динамічних режимів алгоритмів прямого векторного керування.
У даній роботі буде виконано детальний літературний огляд сучасних методів керування моментом, та швидкістю асинхронних двигунів. На основі цього аналізу ми подивимось які системи більш придатні для механізмів реактивного типу, а які для маніпуляторів, які методи керування є більш економічні, а які енергетично не ефективними. Для заданого згідно з варіантом завдання двигуна (АД) розрахуємо значення параметрів номінального режиму та схеми заміщення. Розробимо систему векторного керування асинхронним двигуном на основі алгоритму непрямого векторного керування. Та методом математичного моделювання будуть проведені математичні дослідження динамічних та статичних характеристик розробленої системи. Буде розроблена функціональна схема асинхроного електроприводу та розкриті призначення основних його елементів, виконаємо їх розрахунок та вибір основніх елементів. По всім отриманим результатам будуть зроблені висновки та проаналізовано майбутній розвиток систем векторного керування.
ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД СУЧАСНИХ МЕТОДІВ КЕРУВАННЯ. МЕХАНІЗМ КРАНУ ПІДЙОМУ
Механізація і автоматизація промислових механізмів, процесів промислових підприємств зв`язана не тільки з виконанням головних технологічних операцій, але і з допоміжними операціями такими як: транспортування, горизонтального та вертикального переміщення і т. д. Сучасне житлове і промислове будівництво неможливо уявити без застосування потужних грузопідйомних засобів. З початку будівництва, закладення фундаменту і до кінця завершення робот, при будь якому технологічному процесі, необхідно здійснювати подачу до місця роботи будівничих матеріалів, деталей і вузлів, мусора та виробничих відходів. Специфіка даного обладнання, та режими роботи визначають вимоги до механічних характеристик електроприводів кранових механізмів. Так статичні і динамічні навантаження кранових механізмів визначають вибір систем електропривода та основні вимоги.
При виборі систем електропривода кранових механізмів необхідно враховувати такі особливості їх роботи як:
1) Широкий діапазон зміни моменту спротиву
2) Необхідність реверсування
3) Обмеження моменту в елементах механізмів
4) Забезпечення обмежених прискорень
Розглянемо механічні характеристики механізмів крана під`йому. Так характеристики 1n, використовується для підіймання вантажів з зниженою швидкістю і призначена для вибору слабкості каната, та точній установці вантажа при монтажних операціях. Характеристики 2n і 3n, слугують для під`йому вантажів з проміжними та номінальними швидкостями. Характеристика 4n, потребується для підйому малих вантажів з підвищеною швидкістю з цілю отримання великої продуктивності крана, швидкість при роботі на цій характеристиці перевищує номінальну швидкість у два рази [3]. Характеристика 1с, слугує для спуску вантажів з малою швидкістю, що слугує для точної установки вантажу при його спуску. Характеристики 2с та 3с, використовують для спуску з проміжними швидкостями і відповідно характеристика 4с, для спуску з підвищеною швидкістю.
Показані на рисунку вертикальні ділянки характеристик необхідні для обмеження моментів та прискорень при пусках та гальмуванні механізмів. Згідно умов експлуатації для спуску та підйому зручно забезпечувати однаковий час перехідних процесів для підйому та спуску вантажа.
Рисунок 1.1 – Відповідні до
вимог механічні характеристики,
електропривода механізму підйому
Тому стопорні моменти на характеристиках підйому та спуску повинні відрізнятися між собою. Це пояснюється тим, що ці режими мають різні моменти спротиву (див. заштриховані ділянки на характеристиках, області зміни моменту, що обумовлені зміною маси вантажа). Електропривод механізмів підйому повинен мати не симетричні відносно початка координат характеристики. У сучасному світі багато кранових установ призначених для підйому та опускання вантажів зроблені на основі приводів з використанням ДПС.
Але привод такого напрямку має багато недоліків, які є суттєвими причинами для переходу від двигуна постійного струму до двигунів змінного струму (найбільш використовують асинхронних двигун з короткозамкненим ротором). Двигуни з КЗ ротором застосовуються в електроприводі, де не вимагається регулювання частоти обертання, або в якості другого (допоміжного двигуна) для одержання знижених швидкостей. Недоліком електродвигунів з КЗ ротором є великий пусковий струм. Використовувати двигуни постійного струму і системи побудовані на їх основі є недоцільним оскільки вони мають значні масо-габаритні показники порівняно з двигунами змінного струму, а також потребують перетворення змінної напруги у постійну. АД з контактними кільцями і ФР в порівнянні з КЗ ротором мають дещо більші масо-габаритні показники, більш дорогі, складніші за конструкцією, однак основна їх перевага полягає у можливості зменшення пускового струму (за допомогою реостата) при одночасному збільшенні пускового моменту. Оскільки пускові моменти в даному випадку порівняно не великі, то використання систем електропривода на базі АД з ФР є не виправданим. Окрім того, релейно-контакторна система керування (РКС) передбачає лише ступінчасте регулювання швидкості та більш складна для включення її в сучасну автоматизовану систему. Недоліком АД з КЗ ротором є великий пусковий струм, який у 5...7 разів перевищує струм двигуна при роботі в номінальному режимі. Однак при його використанні в системі електропривода типу ПЧ-АД, цей недолік суттєво згладжується. Щодо системи ПЧ-АД, то вона характеризується широким діапазоном регулювання швидкості, а отримані характеристики мають високу жорсткість. Сучасні перетворювачі частоти дозволяють значно підвищити ефективність технологічного процесу і реалізувати найбільш економічний алгоритм керування приводним двигуном, а також – зекономити від 20 до 50% електроенергії порівняно з іншими системами регулювання.
Тому при остаточному виборі двигуна приведемо таблицю основних переваг і недоліків, які наочно показують всі за та проти для кожного двигуна, що були описані вище.
Таблиця 1.1 – Таблиця переваг і недоліків систем електроприводу
| Показники | Системи електричного привода | |||
| РКС-ДПС | РКС-АД ФР | ТП-Д | ПЧ-АД | |
| Діапазон регулювання швидкості | 1:3 | 1:3 | 1:5000 | 1:20000 |
| Жорсткість механічних характеристик | - | - | + | + |
| Перевантажувальна здатність | + | + | + | + |
| Економічність | - | - | +/- | + |
Згідно цієї таблиці наочно показано, що А.Д. з частотним регулюванням значно переважає за своїми можливостями інші типи приводів, та неможливо не враховувати те, що А. Д. з К.З. ротором, має найбільш просту конструкцію, у порівнянні з іншими двигунами, що є значним плюсом. Так для керування А. Д., можна вибрати два найбільш достойні методи керування. Частотний та векторний метод керування. керовані асинхронні двигуни.
Переваги цих двох методів полягають у наступному:
- обмежене обслуговування;
- достатньо високий ККД в машинах з підвищеною енергоефективністю
(IE-2, IE-3, IE-4) ;
- високі та достатні динамічні властивості, обмежений струм в динамічних режимах, пусковий момент рівний або вище номінального, низькі значення ковзання, обмежені навантаження на елементи конструкції ротора ( здебільшого векторне керування ) ;
- ізольованість від процесів у мережі живлення;
Недоліки:
- необхідна незалежна вентиляція при глибокому регулюванні швидкості;
- зміни параметрів схеми заміщення внаслідок нагріву (активні опори), що ускладнює керування;
- високі значення dV dt породжують стрес ізоляції;
- виникнення хвильових процесів при великих значеннях довжини з’єднувальних дротів.
Ці всі переваги є суттєвими. Однак коли постає вибір метода для керування для механізмів кранового підйому, треба звернути увагу на такі переваги векторного управління порівняно з векторним і це:
1) можливість повного відпрацювання заданої траєкторій (важливо при впливі зовнішніх факторів таких як вітер);
2) поліпшені перехідні процеси (як приклад зменшення пускових струмів які у декілька разів перевищують номінальні при прямому пуску);
3) можливість кратного перевантаження при швидкості яка дорівнює нулю, що є значною перевагою для кранового механізма у випадку коли необхідно утримувати великий вантаж на висоті;
4) немає зменшення критичного моменту, як це відбувається при частотному керуванні;
5) значна економічність у порівняні з іншими системами управління;
Виходячи з усіх цих переваг, можна сказати, що цей метод управління буде найдоцільнішим, хоча він і потребує достатньо великих витрат, але це виправдано надійністю та технологічним вимогам [4].