МIНIСТЕРСТВООСВIТИ УКРАЇНИ
ДержавнаГiрнича Академiя України
КафедраАвтоматизацiї виробничiх процесiв
ПОЯСНЮВАЛЬНА
ЗАПИСКА
ДОДИПЛОМНОГО ПРОЕКТУ
Натему: «Розробкасистеми керування асiнхронним
двигуномс детальним розробленням
программпри рiзних законах управлiння"
Студент групи АТс-92 КазначеєвВ’ячеслав Сергiйович
Керiвник проекту: Соседка В.Л. ________________
Консультанти: ПацераС.Т. ________________
Мiрошник Г.А. ________________
ШереметьєваI.В. ________________
Завiдуючий кафедрою проф. Ткачев В.В.________________
Днiпропетровськ
1997
РЕФЕРАТ
Дипломный проект стр. , рис. , табл.
Проектирование системы, система управления,асинхронный двигатель, закон управления, цифровой сигнал, реализация,интегральная микросхема, переходный процесс, расчет.
Описанобъект автоматического управления — асинхронный двигатель. Цель работы-разработка системы управления асинхронным двигателем с разработкой программыпри различных законах управления. Выполнен обзор существующих схем управления исформулированы технические требования к системе. Показано, что частотноеуправление асинхронным двигателем не удовлетворяет требованиям, в связи с чемпредложено применить закон управления напряжением двигателя в функции частоты инагрузки, обеспечивающих снижение потерь в двигателе, предложенный М. П.Костенко. Разработана функциональная схема системы управления, использующаяцифровые сигналы.
Выполненопроектирование системы — разработана принципиальная схема и печатная платасистемы управления асинхронным двигателем при помощи интерфейса RS-232C. Рассчитанамаксимально возможная скорость передачи данных в канале связи. Разработанпротокол обмена и программа верхнего уровня, моделирующая работу двигателя приразличных законах управления.
Предпринятымеры по обеспечению безопасности при работе с объектом упраления.
Определенаплановая стоимость разработки и плановая прибыль.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1.Состояние вопроса и постановка задачи
1.1. Общие сведения об асинхронныхдвигателях
1.2. Техническое описание системы
1.3. Анализ существующих средствавтоматизации
1.4. Обоснование структуры системыавтоматического управления
2.Техническое задание
2.1. Наименование и область применения
2.2. Основание для проведенияразработки
2.3. Цель и назначение разработки
2.4. Требования к системе
2.4.1. Требования к комплексурешаемых задач
2.4.2. Нижний уровень
2.4.3. Верхний уровень
2.4.4. Требования кнадежности
2.4.5. Требования кбезопасности
2.4.6. Требования кэргономике и технической
эстетике
2.4.7. Требования кэксплуатации, техническому
обслуживанию, ремонту ихранению компонентов
системы
2.4.8. Требования к защитеинформации от
несанкционированного доступа
2.4.9. Требования посохранности информации при
авариях
2.4.10. Требования к защитеот влияния внешних
воздействий
2.5. Требования к видам обеспечения
2.5.1. Требования кматематическому обеспечению
2.5.2. Требования кинформационному обеспечению
2.5.3. Требования клингвистическому обеспечению
2.5.4. Требования кпрограммному обеспечению
2.5.5. Требования ктехническому обеспечению
3.Специальная часть
3.1. Выбор технических средств
3.2. Разработка структурной схемы
3.3. Разработка функциональной схемы
3.3.1.Блок центрального процессора
3.3.2. Блок ввода ипреобразования аналоговых сигналов
3.3.3. Блок ввода-выводадискретных сигналов
3.3.4. Математическоеописание асинхронного двигателя
3.4. Проектирование робота
3.4.1. Постановка задачи
3.4.2. Исходные данные
3.4.3. Основные понятия иопределения
3.4.4. Метод матриц вкинематике манипуляторов
3.4.5. Выбор систем координат
3.4.6. Расширенная матрицаперехода для кинематическойпары
3.4.7. Решение прямой задачикинематики
3.4.8. Решение обратнойзадачи кинематики
3.4.9. Проверка решения
3.5. Технические средства автоматизациисистем управления гибких автоматизированныхпроизводств
3.5.1. Выбор системыкоординат станка, детали и инструмента
3.5.2. Выбор типовыхпереходов операций сверления
3.5.3. Кодированиеуправляющей программы
процесса сверления
3.6. Связь контроллера с ЭВМ верхнегоуровня
3.6.1. Схема гальваническойразвязки
приемопередатчикамикроконтроллера
3.6.2. Интерфейспоследовательного канала связи
ЭВМ с контроллером
3.6.3. Организация обмена попоследовательному
каналу
3.6.4. Расчет формы сигнала влинии связи и
скорости обмена
3.7. Теория автоматического управления
4.Конструкторско-технологическая часть
4.1. Общие технические требования кпечатной плате
4.2. Основные принципы конструированияпечатных плат
4.3. Технология изготовления платы
5.Экономическая часть
5.1. Расчет плановой себестоимости
5.2. Определение договорной цены НИР иплановой
прибыли
6.Охрана труда
6.1. Анализ условий труда, опасных ивредных
производственных факторов
6.2. Выбор и обоснование мероприятийдля создания
безопасных условий труда
6.3. Инструкция по охране труда примонтаже и
эксплуатации системы
6.4. Расчет искусственного освещения
6.5. Противопожарная защита
Заключение
Списоклитературы
Приложения
ВВЕДЕНИЕ
Автоматизацияпроизводства на основе микроэлектронной техники для развития исовершенствования существующих и создающихся технологических производств,является одним из важных направлений производства.
Особенностьюсовременного этапа развития автоматизации производства является появление имассовое применение качественно новых технических средств, изготовление сетейна базе микроэлектроники. Внедрение автоматизированных систем управлениятехнологическими процессами (АСУ ТП) приобретает особое значение в связи сростом требований к скорости вычисления, переработки и выдачи информации. Поэтомуразработка и исследование структур и режимов функционирования АСУ ТП на основемикроЭВМ является актуальной задачей. Использование микроЭВМ позволяет напорядок снизить затраты, обеспечивает повышение эффективности и расширениефункциональных возможностей.
Одноиз основных положений автоматизации процессов организационного управлениязаключается в создании безбумажной технологии обработки информации.
Программноеобеспечение систем с персональными микроЭВМ выгодно отличается своей простотой,проблемной направленностью.
Основной,определяющей целью управления оборудованием, технологическими и производственнымипроцессами с помощью АСУ ТП является повышение производительности труда,улучшение качества продукции и использования материально-сырьевых итопливно-энергетических ресурсов. Дальнейшее совершенствование АСУ ТП связано сповышением их экономической эффективности путем индустриального создания автоматизированныхтехнологических комплексов с АСУ ТП.
Однимиз существенных препятствий на пути индустриализации создания АСУ ТП являютсятрадиционные методы (трудоемкие) программирования ЭВМ и недостаточная адаптивностьтиповых АСУ ТП к более широкому кругу условий работы объектов управления.Преодолеть эти препятствия для предприятий, самостоятельно внедряющих АСУ ТП можно,во-первых, передачей значительной степени программного обеспечения изуниверсальных ОЗУ в ПЗУ микропроцессорных функциональных блоков, из которых иследует формировать логическую и вычислительную часть АСУ ТП, т. е. передачей задачтрадиционного программирования в область массового производства устройствэлектронной техники; во-вторых, развитием специализированных операционныхсистем АСУ ТП, обладающих широкими возможностями к адаптации и работающими смикропроцессорными функциональными блоками; в-третьих, созданиемпрограммно-аппаратурных средств реализации диалоговых режимов настройки иработы АСУ ТП.
Уровеньавтоматизации производственных процессов, производительность труда и качествовыпускаемой продукции определяется силовой электровооруженностью труда, основукоторой составляют регулируемые электрические машины.
Цельюнастоящего дипломного проекта является разработка автоматической системырегулирования электропривода с мощным высоковольтным короткозамкнутымасинхронным двигателем c детальной разработкой программ для управляющей ЭВМверхнего уровня.
1. СОСТОЯНИЕВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
1.1 Общиесведения
В силусвоих конструктивных особенностей асинхронная машина лишена ряда недостатков,присущих машинам постоянного тока. В частности, отсутствие коллектора и щеток васинхронном короткозамкнутом двигателе (АД) обуславливает большую предельнуюединичную мощность, лучшие весо-габаритные показатели, более высокуюперегрузочную способность и допустимую скорость изменения момента, более высокиескорости вращения, чем машины постоянного тока. Известно, что преимущества АДнаиболее полно реализуются при частотном управлении, что обуславливаетпостоянное вытеснение регулируемого электропривода постоянного токачастотно-регулируемым асинхронным электроприводом во всех отраслях промышленности.
Внастоящее время около половины вырабатываемой электроэнергии потребляетсянерегулируемыми двигателями переменного тока, среди которых значительную частьсоставляют мощные высоковольтные АД. Регулирование скорости мощныхвысоковольтных АД, исключение режимов прямых пусков — эффективные факторыповышения производительности рабочих механизмов, снижения эксплуатационныхрасходов, экономии электроэнергии. Рабочими механизмами мощных высоковольтныхэлектроприводов являются: подъемники горной и металлургической промышленности,вентиляторы, насосы, газодувки, компрессоры горной, металлургической,химической промышленности, атомной энергетики.
Сразработкой и освоением серийного производства мощных силовых полупроводниковыхприборов появилась возможность широкого применения мощных высоковольтных преобразователейчастоты (ПЧ) для питания обмоток высоковольтных АД. Таким образом, появиласьвозможность создания регулируемых по скорости мощных высоковольтных асинхронныхэлектроприводов.
Известно,что механические и динамические характеристики, энергетические показатели АД вчастотно-регулируемом электроприводе определяются: принятым законом частотногоуправления, способом частотного управления, алгоритмической и аппаратнойреализацией автоматической системы регулирования (АСР) электропривода.
Несмотряна большое количество разработанных и исследованных структур АСР длянизковольтных электроприводов, применение их для мощных высоковольтныхэлектроприводов не представляется возможным. Это связано с особенностямивысоковольтного электропривода, а именно:
· значительнымусложнением непосредственного измерения параметров электропривода;
· условиемминимальной асимметрии питающих токов, вытекающей из требования к повышеннойэнергетике электропривода;
· применениемтрехфазного двухобмоточного АД, питающегося от двухсекционного преобразователячастоты, вытекающим из условия улучшенных энергетических, регулировочныхсвойств и способа наращивания выходной мощности.
Кромеперечисленных особенностей необходимо отметить, что значительная частьвысоковольтных АД рассчитана на высокие скорости вращения (6000 об/мин и выше),что исключает возможность применения вращающихся на валу АД датчиков.
Такимобразом, на основании анализа приведенных законов, способов, техническихустройств частотного управления асинхронными электроприводами, можно сделатьследующие выводы.
1. Для мощных высоковольтных электроприводовмеханизмов, работающих с постоянным моментом сопротивления на валу с частымипускотормозными режимами, целесообразно применение закона частотного управленияс постоянством потокосцепления ротора, отличающегося наивысшей перегрузочнойспособностью и обеспечивающего наилучшие динамические свойства двигателя.
2. Для мощных высоковольтных электроприводовмеханизмов, работающих с вентиляторным моментом сопротивления на валу,благодаря своим высоким энергетическим показателем и простоте техническойреализации целесообразно использовать закон частотного управления по минимуму потерь.
3. В силу своих преимуществ по сравнению сдругими способами частотного управления, а именно: простоте техническойреализации (по сравнению с векторными способами) и лучшими динамическими истатическими показателями (по сравнению с амплитудными способами)предпочтителен квазивекторный способ частотного управления.
4. Для наращивания мощности электропривода иодновременного повышения его энергетических показателей, используютсятрехфазные двухобмоточные двигатели с пространственным сдвигом междутрехфазными статорными обмотками, питающимися от двух трехфазныхпреобразователей частоты токами (напряжениями) с фазовым сдвигом в 30 эл.град.
5. Известные в настоящее время техническиеустройства для частотного управления асинхронным электроприводом в полной мерене отвечают требованиям, предъявляемым к мощному высоковольтному электроприводуи им присущи следующие недостатки:
· ограниченнаянизкоскоростными электроприводами область применения, необходимостьизготовления специальной машины или переделка серийной, применение специальныхустройств для механического сочленения валов, невозможность применения взапыленных и агрессивных средах, что обусловлено наличием датчиков на валу ивнутри машины;
· высокаясложность технической реализации, обусловленная наличием сложных техническихустройств: координатного преобразования, векторных фильтров, фазовращателей,функциональных преобразователей, блоков коррекции мгновенного значения частоты;
· наличие большогочисла датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку;
· невысокаянадежность, что обусловлено наличием датчиков на валу и внутри машины, высокойсложностью технической реализации блоков АСР, датчиков, осуществляющих высоковольтнуюгальваническую развязку.
1.2 Техническое описание системы
Воснове математического описания АД при переменной частоте питающей сети лежитобщая теория электрических машин.
Основойдля математического описания АД служат уравнения, составленные в фазовыхкоординатах. Особенностью АД является совокупность магнитосвязанных цепей скоэффициентами само- и взаимоиндукции, периодически изменяющимися в функцииугла поворота ротора относительно статора. В зависимости от степени насыщениямагнитной системы машины, эти коэффиценты могут зависеть еще и от токов во всехобмотках. Уравнения могут быть составлены либо в трехфазной системе координат,либо в двухфазной для обобщенной машины. При записи уравнений в фазовыхкоординатах получают систему дифференциальных уравнений высокого порядка ( втрехфазной системе координат число уравнений равно 14) с переменнымикоэффициентами. Пользоваться такой системой для исследования электромеханическихпроцессов, происходящих в АД не представляется возможным в связи с громоздкостью,наличием переменных коэффициетов, нелинейностью. Дальнейшее упрощение ипреобразование исходной системы уравнений основывается на следующем общемметоде. При этом уравнения в фазовых координатах преобразуются к уравнениям,выраженным через обобщенные (результирующие) векторы, вводится системаотносительных единиц для токов, напряжений, потокосцеплений, скоростейвращения, частот, моментов, активных, индуктивных сопротивлений. Введение системыотносительных единиц упрощает вид уравнений, а выражение переменных черезрезультирующие векторы приводит к виду дифференциальных уравнений, при которомкоэффициенты дифференциальных уравнений ненасыщенной машины являютсяпостоянными величинами. Для насыщенной машины необходимо вводить зависимостьвеличин этих коэффициентов от магнитного состояния машины.
Послеуказанных преобразований получают систему дифференциальных уравнений шестогопорядка с постоянными коэффициентами, что значительно упрощает описание АД и делаетвозможным использование этой системы для ииследования электромеханическихпроцессов, протекающих в АД. Дальнейшее преобразование полученной системыуравнений сводится к переводу векторов, входящих в уравнение, в различныесистемы координат (в зависимости от цели решаемой задачи).
Приматематическом описании АД принят ряд допущений, соответствующихидеализированному представлению АД:
· фазные обмоткисииметричны, одинаковы, воздушный зазор по все окружности ротора одинаков;
· не учитываютсяпотери в стали, а также высшие гармоники магнитодвижущей силы и рабочегопотока;
· параметры АДпостоянны и не зависят от токов в обмотках АД;
· системы питающихтоков (напряжений) симметричны.
Техническиехарактеристики рассматриваемого АД приведены в таблице 1
Таблица 1
Наименование параметров
Электродвигатель АО2-52-4
1. Номинальная мощность, Pн
10 кВт
2. Номинальное напряжение (фазное), Uн
220 В
3. Номинальный (фазный) ток, Iн
19 А
4. Номинальная скорость, h
1460 об/мин
5. Номинальный момент, Mн
65.4 н.м.
6. Момент инерции, J
0.09 кг×м2
7. Число пар полюсов, 2p
4
8. Номинальная частота, fн
50 Гц
9. Активное сопротивление статора, rs
0.45 Ом
10. Активное сопротивление ротора, rr
0.7 Ом
11. Индуктивность рассеяния статора, lds
43×10-4 Гн
12. Индуктивность рассеяния ротора, ldr
51×10-4 Гн
13. Взаимная индуктивность статора и ротора, Lm
0.1045 Гн
Системауравнений для идеализированного трехфазного короткозамкнутого АД в системекоординат, вращающейся с поизвольной скоростью wк с использованием системы относительных единицсогласно [ ], имеет вид:
где — обобщенные векторы,соответственно, напряжения, тока, потокосцепления статора;
— обобщенные векторы,соответственно, тока и потокосцепления ротора;
— активныесопротивления, соответственно, статора и ротора;
Lm — взаимная индуктивность статора и ротора;
— индуктивностьрассеяния, соответственно, статора и ротора;
— соответственно,электромагнитный момент и момент сопротивления на валу АД;
H — момент инерции ротора АД;
w- угловая скорость вращения ротора АД;
p — символ дифференцирования по времени.
Установившемусярежиму работы АД (все производные в фомуле равны нулю) системе соответствует T-образная схема замещения АД, изображенная на рисунке 1,где Im — ток намагничивания АД; w1- частота питающей сети.
Приматематическом описании АД принята система относительных единиц, базовыезначения которой определяются системой:
- базовый ток;
- базовое напряжение;
- базовая скорость;
- базовая частота;
- базовое время;
- базовый момент;
- базовая индуктивность;
- базовое потокосцепление;
- базовое сопротивление;
- базовый момент инерции.
Цельюдипломного проекта является разработка и исследование автоматической системырегулирования (АСР) асинхронного высоковольтного электропривода на базеавтономного инвертора тока с трехфазным однообмоточным двигателем с детальнойразработкой программы высокого уровня при различных законах управления.
В ходеконкретизации из поставленной цели выделены следующие задачи.
Провестианализ известных законов управления применительно к высоковольтнымэлектроприводам и определять на основе анализа рациональные законы и способычастотного управления высоковольтного злектропривода для разрабатываемых АСР.
Синтезироватьавтоматическую систему регулирования высоковольтного электропривода стрехфазным однообмоточным с учетом следующих требований, предъявляемым к АСРвысоковольтного электропривода.
1.Реализовыватьдля электроприводов, работающих с постоянным моментом сопротивления в частыхпуско-тормозных режимах управление по закону с постоянством потокосцепленияротора, обеспечивающему работу электропривода в интенсивных динамическихрежимах.
2.Иметьминимальное количество датчиков на валу и внутри машины.
3.Иметьминимальное количество датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническуюразвязку.
4.Реализовыватьуправление трехфазным двухобмоточным короткозамкнутым асинхронным двигателем.
5.Обеспечиватьминимальную сложность технической реализации АСР.
Исследоватьразработанные АСР в составе электропривода в динамических и статических режимахработы.
1.3 Анализ существующихсредств автоматизации
Известныев настоящее время технические устройства для частотного управления асинхроннымэлектроприводом в полной мере не отвечают требованиям, предъявляемым к мощномувысоковольтному электроприводу и им присущи следующие недостатки:
· ограниченнаянизкоскоростными электроприводами область применения, необходимостьизготовления специальной машины или переделка серийной, применение специальныхустройств для механического сочленения валов, невозможность применения взапыленных и агрессивных средах, что обусловлено наличием датчиков на валу ивнутри машины;
· высокаясложность технической реализации, обусловленная наличием сложных техническихустройств: координатного преобразования, векторных фильтров, фазовращателей,функциональных преобразователей, блоков коррекции мгновенного значения частоты;
· наличие большогочисла датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку;
· невысокаянадежность, что обусловлено наличием датчиков на валу и внутри машины, высокойсложностью технической реализации блоков АСР, датчиков, осуществляющих высоковольтнуюгальваническую развязку.
1.4 Обоснование системы автоматического управления
При частотном управлении асинхроннымидвигателями наиболее часто используются следующие законы: поддержаниепостоянства потокосцепления статора (Y1=const), поддержаниепостоянства главного потока машины (Y0=const), поддержаниепостоянства потокосцепления ротора (Y2=const), и регулированиевеличины потокосцепления в зависимости от величины нагрузочного момента (Y1,Y0, Y2)=f(M)).