Микроконтроллерная система управления асинхронным трехразным электродвигателем переменного тока

Содержание
Введение .............................................................................................................. 6
ГЛАВА 1 Общие сведения о ПДМ и анализ систем управления
асинхронным двигателем ................................................................................ 7
1.1 Постановка задачи ........................................................................................ 7
1.2 Общие сведения о ПДМ............................................................................... 7
1.3 Анализ систем управления асинхронным двигателем ............................. 8
1.3.1 Способы управления асинхронным двигателем ................................. 8
1.3.2 Регулирование скорости вращения включением добавочных
резисторов............................................................................................................ 8
1.3.3 Регулирование скорости вращения путем изменения напряжения . 9
1.3.4 Импульсное регулирование скорости ................................................ 15
1.3.5 Частотное регулирование скорости .................................................... 19
ГЛАВА 2 Разработка системы управления двигателя для ПДМ............. 25
2.1 Описание объекта управления ................................................................. 25
2.2 Разработка структурной схемы ................................................................ 25
2.3 Выбор мотор-редуктора на основе тягового расчета для ПДМ ............ 26
2.4 Выбор датчика для управления электродвигателем .............................. 31
2.5 Выбор преобразователя частоты .............................................................. 33
2.6 Выбор центрального процессора и модулей .......................................... 37
2.7 Разработка принципиальной и электрической схемы ........................... 44
2.8 Разработка программного обеспечения .................................................. 45
3 Экономическая и техническая эффективность использования
преобразователей частоты фирмы Danfos установленных на ПДМ .......... 50
3.1 Эффективность использования ПДМ без преобразователей частоты .. 51
3.2 Эффективность использования ПДМ с преобразователей частоты...... 52
3.3 Вывод экономическая и техническая эффективность использовании..56
ГЛАВА 4 Безопасность жизнедеятельности.............................................57
4.1 Анализ условий труда и возможные влияния на человека опасных
производственных факторов ........................................................................... 57
4.2 Электробезопасность (зануление ПДМ) .................................................. 57
4.3 Влияние радиации на организм человека и меры защиты .................... 60
4.4 Меры безопасности и ТО при эксплуатации машины............................ 62
Заключение ........................................................................................................ 65
Список использованной литературы .............................................................. 66
Приложение I .................................................................................................... 68
Приложение II ................................................................................................... 73
Приложение III.................................................................................................. 74

ГЛАВА 1 Общие сведения о ПДМ и Анализ систем управления
асинхронным двигателем

1.1 Постановка задачи
Целью выпускной работы является разработка и исследование системы
регулирования (АСР) асинхронного высоковольтного электропривода на базе
автономного инвертора тока с детальной разработкой программы
управления. Электропривод установлен на погрузочно-доставочной машине.
В ходе конкретизации из поставленной цели выделены следующие задачи:
 Провести анализ известных законов управления применительно к
высоковольтным электроприводам и определять на основе анализ
рациональные законы и способы регулирования высоковольтного электропривода для разрабатываемой АСР.
 Синтезировать систему регулирования высоковольтного
электропривода с преобразователем частоты и микроконтроллером.
 Оценка экономической эффективности использования преобразователей частоты.
 Решение задач по безопасности и жизнедеятельности.

1.2 Общие сведения о погрузочно-доставочной машине (ПДМ)
Основную экологическую угрозу для окружающей среды представляет
проливы компонентов, излучающие радиацию и имеющие высокую
токсичность и химическую стойкость, которые оказывают негативное и
губительное воздействие на человека и элементы природной среды - почву,
растительный и животный мир.
Важнейшей задачей, стоящей перед рудниками, перерабатывающими
урановую руду, является ликвидация последствий проливов токсичных
компонентов и обеспечение захоронения радиационных отходов остающихся
после выполнения технологических процессов переработки. Данные
операции должны проводиться без участия человека специализированными
самоходными машинами по заранее заложенным программам. В программе
учитываются уровень радиационного заражения грунта, глубина, размеры и
объём отходов и др. Для всех вышеуказанных целей разрабатывается
погрузочно-доставочная машина (ПДМ).
ПДМ - это специализированная самоходная одноковшовая колёсная
машина с электрическим приводом, предназначенная для выполнения
погрузочных и разгрузочных работ с сыпучими и мелкокусковыми
материалами в горнорудной промышленности, а также для планировки
участков местности, уборки территорий от снега и мусора.
ПДМ компонуется по четырехколесной схеме со всеми ведущими
колесами, рама выполняется шарнирно-сочлененной и состоит из двух полурам. Шарнирно-сочлененная рама позволяет добиться наилучшей
маневренности машины и обладает повышенной эффективностью и
проходимостью в любых условиях. Также прогрессивным шагом является
применение бескамерных шин низкого давления, это повышает надежность,
и долговечность ходовой части.

1.3 Анализ систем управления асинхронным двигателем

Для начала решим первую поставленную задачу. В первую очередь
мною бы произведен патентный поиск и литературный обзор, в результате
которого было найдено несколько аналогичных систем управления. Было
исследовано несколько источников литературы [1-4] и Интернет сайтов: [11-
16] В ходе поиска были выбраны четыре системы управления двигателем.

1.3.1 Способы управления асинхронным двигателем:

Под управлением асинхронным двигателем переменного тока
понимается изменение частоты вращения ротора. Существуют следующие
способы управления асинхронным двигателем:
 Реостатный - изменение частоты вращения АД с фазным ротором
путём изменения сопротивления реостата в цепи ротора;
 Регулирование скорости вращения путем изменения напряжения
устанавливается регулятор напряжения который регулируется путем
подачи некоторого сигнала управления.
 Частотный - изменение частоты вращения АД путём изменения
частоты тока в питающей сети, что влечёт за собой изменение частоты
вращения поля статора. Применяется включение двигателя через
частотный преобразователь;
 Импульсный - подачей напряжения питания специального вида
(например, пилообразного),изменением числа пар полюсов, если
такое переключение предусмотрено конструктивно, изменением
амплитуды питающего напряжения, когда изменяется только
амплитуда (или действующее значение) управляющего напряжения.
Тогда векторы напряжений управления и возбуждения остаются
перпендикулярны.

1.3.2 Регулирование скорости вращения включением добавочных
резисторов
При включении добавочных резисторов в цепь ротора скорость
идеального холостого хода0 и момент Мк остаются неизменными, а
критическое скольжение увеличивается. Искусственные характеристи
отличаются повышенным значением пускового момента Мп , и в пределе
можно достичь Мп= Мк [1].
Уменьшается также пусковой ток, который может быть найден по
формуле:
где RД — добавочное сопротивление, вводимое в цепь ротора.
Жесткость характеристик0 f (m) уменьшается по мере роста RД.
Этот способ обеспечивает лишь ступенчатое изменение скорости (реостат с
плавным изменением сопротивления практически не реализуется при
больших токах; имеется опыт использования жидкостных реостатов, но их
габариты и трудности отвода теплоты резко ограничивают область
промышленного применения таких реостатов). Для повышения плавности
регулирования требуется большое число ступеней, что усложняет схему
управления. На практике пусковой реостат имеет обычно 3...6 ступеней, что
позволяет поддерживать высокое значение пускового момента.
Регулирование скорости этим способом осуществляется в небольшом
диапазоне или в кратковременном режиме из-за значительных потерь
энергии и снижения КПД. Такой способ нашел применение в подъемно-
транспортных механизмах.

1.3.3 Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей
путем изменения напряжения

Регулирование скорости вращения АД путем изменения напряжения
реализуется применением относительно простых технических средств. С
этой целью между сетью переменного тока со стандартным напряжением
Uc=const (рис. 1) устанавливается регулятор напряжения (РН), напряжение
на выходе которого Us=var регулируется путем подачи некоторого сигнала
управления Uу. В качестве РН могут быть использованы различные
устройства — магнитные усилители, автотрансформаторы, тиристорные
регуляторы напряжения (ТРН). Последние получили в настоящее время
наибольшее распространение из-за массогабаритных показателей и высокого
КПД.
Рис уно к 1-Функциональная схема электропривода с АД и регулятором
напряжения

Существуют симметричные и несимметричные ТРН. При симметричном
ТРН в каждой фазе АД (рис. 2,а) устанавливается пара встречно-параллельно
включенных тиристоров (VS1...S6) или один симмистор. Здесь используется
такой же принцип управления, который применяется в вентильном приводе
постоянного тока, а именно: изменение момента отпирания тиристоров
относительно нулевой точки. При а = 0 (рис. 2,б) тиристоры полностью
открыты и к АД прикладывается напряжение сети. При1 0 к АД
прикладывается напряжение Uu состоящее из участков синусоиды по-
ложительной и отрицательной полярности. Упрощенная форма такого
напряжения приведена на рис. 2, б там же показано напряжение первой
гармоники этого напряжения U1. Существуют иные схемы ТРН при
симметричном управлении и соединении нагрузки в треугольник (рис. 2, а)

Рис уно к 2-Схема тиристорного регулятора напряжения (а) и форма
напряжения на статоре асинхронного двигателя при различных значениях
угла регулирования (б, в)
При несимметричных ТРН пара тиристоров включается в одну или две
фазы (рис. 2, б) вместо одного тиристора пары может использоваться диод.
Несимметричное управление требует меньшего количества тиристоров,
но в большей мере искажает синусоиду. Несинусоидальное напряжение Us
вида, показанного на рис. 3 в, создает дополнительные трудности
(повышенные тепловые и магнитные потери, а также пульсации момента
двигателя, что является следствием токов высших гармоник). Эти факторы,
как правило, учитываются приближенно; все расчеты при пониженном
напряжении проводятся лишь по первой гармонике. Снижение напряжения с
помощью ТРН приводит, к уменьшению критического момента Мк который
пропорционален его квадрату. Скорость идеального холостого хода
 2f c / z ,остается неизменной. Критическое скольжение sK также не
зависит от напряжения. Искусственные механические характеристики, при-
веденные на рис. 3, показывают, что при постоянстве момента нагрузки Мк =
const и нормальных значениях sK = 0,1...0,2, характерных для
электродвигателей общепромышленного применения, диапазон
регулирования невелик (отношение скоростей в точках 1 и 2). Следует
учитывать другое ограничение — энергетическое, согласно которому растут
потери в роторе двигателя. [11] Номинальные потери:
Рис уно к 3-Схемы тиристорных регуляторов напряжения
а — при симметричном управлении и соединении обмоток в
треугольник;
б — при несимметричном управлении
Приравняв их к текущим потерямP2 M ном *0 S , можно получить
границу допустимой по нагреву области искусственных характеристик в
продолжительном режиме: М с.доп M ном S ном / S [2]
Как следует из рис. 4, эта область, ограниченная штриховой линие
Мс1,
невелика, что сужает применение рассматриваемого способа

регулирования на практике при Мс1 = cons
Рис уно к 4-Механические характеристики АД при регулировании
напряжение
Однако есть механизмы, которые имеют зависимость Мс2(s) схожую с
границей области, допустимой по нагреву. К таким механизмам относятся
вентиляторы, для которых целесообразно применение электропривода с ТРН.
Уменьшение потерь в роторе двигателя (но не в приводе в целом) может
быть получено применением ТРН, питающего АД с фазным ротором при
включенных в цепь ротора сопротивлениях RД. Это увеличивает значение
SK и диапазон регулирования увеличивается (точки 3 и 4), особенно для
механизмов с вентиляторной нагрузкой (точки 5 и б), что показано на рис. 4
Как отмечалось, характеристики при пониженном напряжений Us1 (см.
рис. 4) имеют низкую жесткость. По этой причине возможные колебания
момента нагрузки Мс1, часто имеющие место на практике, приводят к
резким изменениям скорости, что в большинстве случаев недопустимо.
Рассмотрим это на примере механических характеристик (рис. 5), полу-
ченных при различных значениях угла регулирования 1 . При нагрузке Мс1
рабочая точка электропривода отмечена цифрой 1 (угол регулирования 2 ).
Положим, что момент нагрузки увеличился до Мс2 при неизменном
значении1 2 const функционирование электропривода невозможно и двигатель остановится, поскольку МС2 > Мк при данном угле
регулирования. В то же время уменьшение угла до значения 1 позволит
сохранить электропривод в работоспособном состоянии; при этом скорость
вращения соответствует 2 благодаря увеличению момента двигателя [2].
Ри с уно к 5-Механические характеристики АД с регулятором
напряжения в замкнутой системе

Приведенный пример показывает необходимость регулирования угла 2
при изменении момента Мс нагрузки. Такое регулирование трудно
осуществить оператору, наблюдающему за работой установки. Гораздо
эффективнее с этой задачей справится замкнутая по скорости система
автоматизированного электропривода, принципиальная схема которой
приведена на рис. 6 а. Управляющие электроды тиристоров VS1...VS6 ТРН
подсоединены к выходам СИФУ, задачей которой является сдвиг
управляющих импульсов в зависимости от величины управляющих сигналов
UУ и их распределение по тиристорам.
Сигнал управления U y (U З К ос)К рс где Uз — напряжение задания;
Кос — коэффициент пропорциональности в цепи обратной связи по
скорости; Кpc — коэффициент усиления промежуточного усилителя
(регулятора скорости).
Задающее напряжение U3 снимается с потенциометра RP1. Всякое
изменение скорости АД, например при изменении нагрузки, вызывает
изменение Uy (при U3 = const), угол также изменяется, и АД переходит на
работу на другой характеристике. Совокупность точек на линии 1-2 образует
искусственную механическую характеристику (см. рис. 6), жесткость
которой определяется коэффициентом Кpc [12].
Искусственные характеристики при различных значениях напряжения
задания U31... U34 имеют относительно высокие жесткость и перегрузочную
способность и позволяют получать достаточно большой диапазон
регулирования скорости....