МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
КАФЕДРА СИСТЕМ АВТОМАТИЧНОГО УПРАВЛІННЯ І
ЕЛЕКТРОПРИВОДА
КУРСОВИЙ ПРОЕКТ
З ДИСЦИПЛІНИ: “ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДА”
НА ТЕМУ: “ПЛАВНИЙ ПУСК ДВИГУНА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ
ПО СИСТЕМІ “ ШИРОТНО ІМПУЛЬСНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ – ДВИГУН
ПОСТІЙНОГО СТРУМУ“
Розробив:
Керівник:
2002
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
№
Назва етапів курсового проекту
Строк виконання
етапів проекту
1
Аналіз технічного завдання і вибір
широтно імпульсного перетворювача
15 жовтня 2002
2
Аналіз функціональної схеми та розробка
технічної документації
30 жовтня 2002
3
Розробка системи управління транзистором та
виготовлення печатної плати
20 листопада 2002
4
Розрахунок схеми заміщення
30 листопада 2002
5
Побудова статичних, механічних та
швидкісних характеристик
5грудня 2002
6
Вибір силових елементів та розрахунок
параметрів схеми
10 грудня 2002
7
Розрахунок енергетичних характеристик
25 грудня 2002
8
Математичне моделювання
10 січня 2003
9
Оформлення проекту
27 січня 2003
Студент _____________
Керівник _____________
“_______”______________________200 р
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ
ШИП — широтно імпульсний перетворювач
ДПТ — двигун постійного струму
АД — асинхронний двигун
ИП — імпульсний перетворювач
ЭОМ – електронно-обчислювальна машина
ИДК — вимірювально діагностичний комплекс
ШД — шаговий двигун
ЧРП — частотно регульований привод
КПД — коефіцієнт корисної дії
ГПИ — генератор пилоподібних коливань
ЗАВДАННЯ
на курсовий проект студента
____________________________________
1. Тема роботи Плавний пуск двигуна постійного струму по системі “Широтно імпульсний перетворювач – двигун постійного струму “. Основна частина – розробка системи плавного пускадвигуна постійного струму на базі мікроконтроллера PIC 16F 877
2. Строк здачі студентом закінченої роботи 28.01.03
3. Вихідні дані до роботи технічні характеристики двигуна, технічні характеристики існуючих систем широтно імпульсних модуляторів
4. Зміст розрахунково – пояснювальної записки аналіз існуючих імпульсних перетворювачів і вибір найбільш оптимальної, розробка технічної документації на стенд, розробка принципової та функціональної схем, вибір силових елементів.
5. Дата видачі завдання жовтня 200 р
СОДЕРЖАНИЕ
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ
ЗАВДАННЯ
Введение
1. Преимущества и недостатки системы ШИП – ДПТ
1.1 Импульсные преобразователи постоянного напряжения (общие сведения)
1.2 Анализ существующих импульсных преобразователей
2. Функциональная схема лабораторного стенда
3. Разработка технической документации на лабораторный стенд системы ШИП – ДПТ
3.1 Общий вид лабораторного стенда
3.2 Принципиальная схема стенда после доработки
3.3 Перечень функциональных возможностей лабораторного стенда
3.4 Система управления на базе микроконтроллера PIC 16F 877
4. Расчет схемы замещения
5. Статические характеристики системы ШИП – ДПТ
6. Выбор силовых элементов
6.1 Выбор силового трансформатора
6.2 Выбор силового транзистора
6.3 Выбор обратного диода
7. Расчет преобразователя
8. Расчет энергетических характеристик
9. Математическая модель системы ШИП – ДПТ
ВЫВОД
Введение
Сохранение электрической энергии становится важной частью общей тенденции по защите окружающей среды. Электродвигатели, приводящие в действие системы в быту и на производстве, потребляют значительную часть производимой энергии. Большинство этих двигателей работают в нерегулируемом режиме и, следовательно, с низкой эффективностью. Недавний прогресс в полупроводниковой индустрии, особенно в силовой электронике и микроконтроллерах, сделали приводы с регулированием скорости более практичными и значительно менее дорогими. Сегодня приводы с регулировкой скорости требуются не только в высокопрофессиональных и мощных промышленных применениях, таких как обрабатывающие машины или подъемные краны, но все больше и больше в бытовой технике, например, в стиральных машинах, компрессорах, небольших насосах, кондиционерах воздуха и т.п. Эти приводы, управляемые по развитым алгоритмам с помощью микроконтроллеров, имеют ряд преимуществ:
увеличение энергетической эффективности системы (регулирование скорости снижает потери мощности в двигателях)
усовершенствование функционирования (цифровое управление может добавить такие свойства, как интеллектуальные замкнутые контуры, изменение частотных свойств, диапазона контролируемых неисправностей и способность к взаимодействию с другими системами)
упрощение электромеханического преобразования энергии (регулируемые приводы позволяют устранить необходимость в трансмиссиях, коробках передач, редукторах) простота обновления программного обеспечения системы на базе микроконтроллеров с флэш-памятью могут быстро изменять при необходимости увеличивается. Основным условием их использования является сохранение общей стоимости системы в обоснованных границах. Для ряда систем, особенно в быту, общая стоимость должна быть эквивалентна стоимости нерегулируемого варианта.
1. Преимущества и недостатки системы ШИП – ДПТ
1.1 Импульсные преобразователи постоянного напряжения (общие сведения)
Изменение величины напряжения потребителя посредством импульсных преобразователей (ИП) называют импульсным регулированием.
С помощью импульсного преобразователя источник напряжения периодически подключается к нагрузке. В результате на выходе преобразователя формируются импульсы напряжения. Регулирование напряжения на нагрузке можно осуществить тремя способами:
изменением интервала проводимости ключа при постоянной частоте переключения (широтно-импульсный)
изменением частоты переключения при постоянном интервале проводимости ключа (частотно-импульсный)
изменением частоты переключения и интервала проводимости ключа (время-импульсный)
При этом регулируется относительное время проводимости ключа, что приводит к плавному изменению среднего значения напряжения на нагрузке (в нашем случае на якоре ДПТ)
1.2 Анализ существующих импульсных преобразователей
Схема ШИП с параллельной емкостной коммутацией изображена на рисунке 1.1.
/>
Рисунок 1.1. ШИП с параллельной емкостной коммутацией
Недостатком ШИП с параллельной емкостной коммутацией является то, что в процессе переключения напряжение на нагрузке достигает удвоенных значений питающего напряжения. Также недостатком является сложность настройки резонансного контура с конденсатором ‘C’ и дросселем ‘Др’.
На рисунке 1.2 изображена схема ШИП с дополнительным коммутирующим тиристором и линейным дросселем в узле коммутации.
/>
Недостатком схемы является связь контура коммутации с цепью нагрузки. Эта особенность затрудняет коммутацию в режимах малых нагрузок и делает невозможной работу устройства на холостом ходу.
На рисунке 1.3 изображена схема нереверсивного ИП с последовательным ключевым элементом.
/>
Рисунок 1.3. Нереверсивный ШИП
Данная схема является наиболее приемлемой для нашей цели, так как она отличается малым количеством элементов, простотой конструкции, достаточно высоким быстродействием и надежностью.
Принцип действия:
Когда транзистор VT отперт от источника питания потребляется энергия. При запирании транзистора VT ток нагрузки за счет Э.Д.С. самоиндукции сохраняет свое прежнее направление, замыкаясь через обратный диод VD. В связи с тем что источник питания, как правило, обладает индуктивностью, для защиты транзистора от перенапряжений, возникающих при разрывах цепи питания, на входе ИП ставится фильтр нижних частот, выходным звеном которого является конденсатор Свх. --PAGE_BREAK--
2. Функциональная схема лабораторного стенда
Функциональная схема уже существующего лабораторного стенда представлена на рисунке 2.1
/>
Рисунок 2.1 Функциональная схема стенда
На функциональной схеме изображены основные элементы стенда и функциональные взаимодействия между ними.
Основным элементом стенда есть преобразователь частоты ACS 300. Через него питание подается на асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором М1 – АОЛ2-21-4. Стенд предусматривает возможность работы асинхронного режим динамического торможения. Также предусмотрена возможность контроля скорости асинхронного двигателя, токи и напряжения как АД так и ДПТ.
В силовой цепи АД расположены трехфазный датчик тока и трехфазный датчик напряжения, данные с которых подаются через блок связи на ЭОМ. Блок связи и ЭОМ образуют измерительно-диагностический комплекс (ИДК). На ИДК подаются сигналы и с других датчиков и контролирующих элементов
3. Разработка технической документации на лабораторный стенд системы ШИП – ДПТ
3.1 Общий вид лабораторного стенда
Внешний вид проектируемого стенда показан на рисунке 3.1
/>
Ручка нагрузочного резистора
Кнопка SB2 “Стоп АД”
Кнопка SB1 “Пуск АД”
Автомат QF1 (подключение стенда к сети питания)
Функциональная схема ПЧ-АД
Амперметр А1 (контроль тока сети питания)
Амперметр А2 (контроль тока статора АД)
Преобразователь частоты ABB ACS 300
Амперметр А3 (контроль тока якоря ДПТ)
Вольтметр V1 (контроль напряжения статора АД)
Автомат QF2 (подключение нагрузочной машины)
Амперметр А1 (контроль тока ДПТ)
Функциональная схема ШД
Вольтметр V1 (контроль напряжения ДПТ)
Нагрузочный ДПТ
Шаговый двигатель
Амперметр А2 (контроль тока АД)
Частотомер PF1 (контроль частоты на КД)
Переключатель SB1 (реверс ДПТ)
Переключатель SB2 (реверс ШД)
Ручка переменного резистора R1 (регулирование частоты коммутации)
Автомат QF1 (подключение стенда к сети питания)
Переключатель SB3 (включение/выключение ШД)
Переключатель SB4 (выбор источника задания плавно/дискретно)
Ручка ЛАТРа ATV1 (смена напряжения ДПТ)
Переключатель SB5 (выбор режима работы ШД
3.2 Принципиальная схема стенда после доработки
Доработкой схемы будет включение в ее состав силового транзистора, системы управления на микроконтроллере (рисунок 3.3) питающейся от трансформатора ТР2 через блок питания (БП1) и драйвера управления транзистором (рисунок 3.4) питающегося через блок питания (БП1).
В доработанном стенде ДПТ может выполнять роль не только нагрузочной машины но и являться исследуемым объектом, поэтому для его питания от постоянного тока в схему включается выпрямитель.
Общий вид доработанной схемы представлен на рисунке 3.2
Тр1-силовой трансформатор
К1-контактор, включение режима ШИП-ДПТ
К2-контактор, включение режима динамического торможения
SB1 и SB2 кнопки включения соответствующего режима.
SB3-сброс режимов (СТОП)
Rдт-нагрузочный резистор для режима динамического торможения (вмонтирован в стенде)
Р1-реле защиты VT1.
/>
3.3 Перечень функциональных возможностей лабораторного стенда
Существующие возможности:
А) Исследование системы ЧРП – АД только при линейной нагрузке на валу
Б) динамика системы ЧРП-АД
В) статический характер ЧРП-АД
Г) исследование режимов работы преобразователя при нелинейном характере нагрузки
Новые возможности:
А) реализация режимов плавного пуска ДПТ
Б) электропривод по системе ШИП-ДПТ
В) режим динамического торможения
Г) имитация различных видов нагрузки для системы ЧРП-АД
3.4 Система управления на базе микроконтроллера PIC 16F 877
Основой системы управления является однокристальный микроконтроллер PIC 16F877. Широкий набор периферийных устройств входящих в состав серии микроконтроллеров семейства PIC 16X позволяет строить современные системы управления с высокими показателями.
PIC 16FX – семейство дешевых, высокоэффективных, 8-разрядных КМОП микроконтроллеров со встроенным аналого-цифровым (analog-to-digital) преобразователем.
Среди микроконтроллеров PIC 16F877 занимает среднее положение. Все микроконтроллеры PIC 16FX используют RISC структуру процессорного ядра. Семейство микроконтроллеров PIC 16F877 имеет расширенные возможности ядра, стек глубиной 8 уровней и множество внутренних и внешних прерываний. Гарвардская архитектура с отдельными именами команд и данных позволяет одновременно передавать 16 разрядные команды и 8 разрядные данные. Двухкомандный конвейер позволяет выполнять все команды за один машинный цикл, кроме команд ветвления программы, которые выполняются за два цикла.
Уменьшенная система команд (всего 35 команд). Высокая эффективность достигается использованием новшеств архитектуры и большого набора дополнительных регистров.
Микроконтроллер PIC 16F877 по сравнению с другими 8 разрядными микроконтроллерами такого же класса позволяет уменьшить программу 2: 1 и увеличить быстродействие 4:
1.
устройство PIC 16F877 имеет 368 байт памяти данных. Кроме того, PIC имеет 13 контактов ввода/вывода (I/O), периферийные устройства: три таймера/счетчика, два модуля сравнения и шин, два последовательных порта и 8 разрядный параллельный порт.
двухпроводная шина (I2C). Универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик (USART) также известный как последовательный интерфейс связи (SCI), а также быстродействующий 8 разрядный A/D преобразователь идеально подходит для дешевых приложений, требующих аналоговый интерфейс.
Для того чтобы уменьшить количество внешних компонентов и таким образом уменьшить стоимость, повысить надежность системы и снизить потребление, микроконтроллер PIC 16F877 имеет дополнительные возможности. Имеются 4 режима генератора: RC генератор на одном контакте обеспечивает дешевое решение, LP генератор обеспечивает минимальное потребление, XT генератор – стандартное решение и HS генератор для высокочастотных приложений. Режим останова позволяет резко уменьшить потребление. Пробуждение из режима останова может осуществляться при помощи внешних и внутренних прерываний и сбросов.
Высоконадежный сторожевой таймер со своим RC генератором обеспечивает защиту от зацикливания программы. Малогабаритные корпуса микроконтроллеров задают семейство PIC 16FX совершенными для всех приложений без ограничений. Низкая цена, малая потребляемая мощность, высокая эффективность, устройство при использовании и гибкость I/O делает PIC универсальным даже в областях, где использование микроконтроллеров прежде не рассматривалось (например, функции таймера, последовательная связь, сбор и сравнение данных, функции ШИМ и приложения с компрессором).
Таблица 3.1Основные электрические параметры
Диапазон рабочих температур
-55 ÷ +125оС
Напряжение VDD относительно VSS
-0.3÷ +7.5 В
Напряжение на MCLR
0 ÷ +14 В
Напряжение на RA4
0 ÷ +14 В
Напряжение на любом контакте (за исключением UDD, MCLR и RA4)
-0.3÷ +7.5 В
Общая рассеиваемая мощность
10 Вт
Максимальный ток через VSS
300 mA
Максимальный ток через VDD
250 mA
Ограничение входного тока I1k
(U1UDD)
± 20 mA
Ограничение выходного тока I0k
(U0UDD)
± 20 mA
Максимальный выходной вытекающий ток по любому контакту I/O
25 mA
Максимальный выходной вытекающий суммарный ток портов А, В и Е
200 mA
Максимальный выходной втекающий суммарный ток портов А, В и Е
200 mA
Максимальный вытекающий суммарный ток портов C и D
200 mA
Максимальный выходной втекающий ток портов C и D продолжение
--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--
40
51
/>
1
0.84
0.69
0.55
0.38
0.28
0.23
В графической форме расчет значений />изображен на рисунке 8.2
/>
9. Математическая модель системы ШИП – ДПТ
Математической моделью системы ШИП – ДПТ для плавного пуска будет являться модель обычного ДПТ, с той лишь разницей, что на якорь напряжение должно подаваться импульсами с возрастающей скважностью. Моделью системы может быть модель представлена на рисунке 1 выполнена в пакете “Matlab”
/>
Рисунок 1 Модель системы ШИП – ДПТ
Генератор пилообразных колебаний “1” вырабатывает колебания пилообразной формы с периодом равным периоду коммутации транзистора />, и амплитудой равной “10” форма которых представлена на рисунке 2.
/>
Рисунок 2 Сигнал 1 на входе компаратора
Блоки “2” и “3” формируют возрастающую во времени функцию, наклон которой может регулироваться изменением коэффициента блока “3”. В нашем случае коэффициент должен быть равным амплитуде пилообразных колебаний.
Предполагается, что формирование импульсов происходит с минимального значения скважности принятого, например, />. Изменять начальную скважность можно изменяя значение блока “4”. С возрастанием времени будет уменьшаться разность функций после сумматора “5”. Ограничение этого разностного сигнала с помощью блока ограничения “6” на уровне равном “0.6”, позволит в дальнейшем получить рассчитанную ранее номинальную скважность />.
Вид полученного разностного сигнала с ограничением на уровне “0.6” представлен на рисунке 3.
/>
Рисунок 3 Сигнал 2 на входе компаратора
Этот сигнал поступает на вход компаратора “7” совместно с сигналом от блока пилообразных колебаний. На компараторе эти два сигнала сравниваются, и в моменты времени когда функции оказываются равными, компаратор “7” на выходе выдает единичный импульс. Сигнал с выхода компаратора показан на рисунке 3. Рассмотрен не все время пуска, а только три периода коммутации ключа ввиду сильного загромождения графика.
/>
Рисунок 4 Формирование импульсов.
С помощью усилителя “8” полученные импульсы усиливаются до величины требуемого напряжения />В.
Модель двигателя постоянного тока применяется стандартной и подробно описываться не будет. Данные для моделирования ДПТ берутся из расчета схемы замещения. Блок “9” является передаточной функцией Uя=>Iя. Далее полученный ток умножается на блоке умножения “11” с потоком полученным с блока “10”. Полученный в результате умножения момент складывается на сумматоре с моментом сопротивления имеющим отрицательный знак. Во избежание захода скорости в отрицательную область в начальные моменты времени, момент сопротивления подается лишь после достижения двигателем номинальной скорости. Это реализовано с помощью блока “12”. Блоки “13” и “14” являются передаточной функцией вида М-Мс=>/>. Противо-Э.Д.С. определяется умножением угловой скорости />на поток в блоке “15”. Сравнение угловых скоростей и токов якоря при прямом и плавном пуске для одного и того же двигателя графически представлено на рисунке 5
/>
Рисунок 5 Ток и скорость при разных пусках
где кривая “1” — график изменения угловой скорости от времени при прямом пуске;
кривая “2” — график изменения тока якоря от времени при прямом пуске;
кривая “3” — график изменения угловой скорости от времени при плавном пуске;
кривая “4” — график изменения тока от времени при плавном пуске;
Время пуска можно увеличивать или уменьшать, изменяя соответствующим образом значение коэффициента блока “3”.
ВЫВОД
В ходе выполнения курсового проекта была произведена оценка эффективности использования широтно-импульсных преобразователей для промышленности и других отраслей народного хозяйства, а также возможность применения ШИП для плавного пуска двигателя.
В процессе работы были разработаны принципиальная, функциональная схемы проектируемого стенда, а также разработана и смонтирована система управления силовым транзистором на базе микроконтроллера PIC 16F 877. Рассчитаны и выбраны силовые элементы цепи, рассчитана схема замещения, построены статические и энергетические характеристики, а также методом математического моделирования в пакете “Matlab” получена модель системы ШИП – ДПТ. На основании полученных динамических характеристик сделаны выводы относительно разности прямого и плавного пуска.