Контролер двигуна змінного струму

 

 

ЗМІСТ

 

ВСТУП 7

1. АНАЛІЗ ОСОБЛИВОСТЕЙ КЕРУВАННЯ ДВИГУНОМ ЗМІННОГО СТРУМУ 15

1.1. Особливості алгоритму управління та принципи роботи двигуна 15

1.2. Побудова математичної моделі 17

2. ВИБІР ЗАСОБІВ ДЛЯ РЕАЛІЗАЦІЇ КОНТРОЛЕРА 22

2.1.  Вибір апаратних засобів 22

2.2. Вибір програмних засобів 30

2.3. Розробка структурної схеми контролера 32

3. ПРОЕКТУВАННЯ КОНТРОЛЕРА ДВИГУНА ЗМІННОГО СТРУМУ 35

3.1. Розробка граф-схеми алгоритму програми управління роботою контролера 35

3.2. Розробка функціональної схеми контролера 36

3.3. Розробка електричної принципової схеми контролера 38

4.ЕКОНОМІЧНА ЧАСТИНА 41

4.1. Техніко-економічна характеристика проектної розробки. 41

4.2. Визначення комплексного показника якості 41

4.3. Розрахунок лімітної ціни нового виробу 44

4.4. Визначення показників економічної ефективності проектних рішень 45

4.4.1. Умови економічної ефективності 45

4.4.2. Визначення собівартості і ціни спроектованого пристрою 47

4.4.3. Розрахунок терміну служби пристрою за амортизаційним терміном 48

4.4.4. Визначення економічного ефекту в сфері експлуатації 49

4.5. Підсумки до розділу 50

5. ОХОРОНА ПРАЦІ 51

5.1. Характеристики об’єкту дослідження 51

5.2. Ураження людини електричним струмом 51

5.3. Заходи і засоби електробезпеки. 54

5.4. Підсумки до розділу 56

ВИСНОВКИ 58

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 59

ДОДАТКИ

ДОДАТОК А. Лістинг  програми

ДОДАТОК Б. Контролер. Перелік елементів

 

 

• ВСТУП

 

Розвиток  нових науково-технічних напрямів включає в себе комплексну автоматизацію  промислових установок, програмне  управління виробничим обладнанням, автоматизовані системи управління технологічними процесами. Вони і визначили тенденції  в управлінні електроприводами. Завдяки використанню досягнень сучасної електронної технології, підсумком розробок систем автоматичного керування електроприводами, орієнтованих на розширення функцій і функціональних можливостей, підвищення надійності і точності роботи систем управління, з'явилися системи мікропроцесорного керування. Перехід від використання переважно аналогової техніки до включення мікропроцесорних пристроїв в системи керування технологічними процесами, дозволив забезпечити їм структурну гнучкість. Такі якісні показники, як висока точність, малий час регулювання, адаптація до постійно змінюваних параметрів електроприводу і зовнішнього середовища, великі функціональні можливості, які визначаються обсягом пам'яті і швидкодією - визначають необхідність застосування мікропроцесорів.

Електродвигун, або електричний двигун - це двигун, електрична машина, в якій електрична енергія перетвориться в механічну роботу. Потужність електродвигунів варіюється від десятих доль Вт до десятків Мвт. Режими роботи електричної мережі, від якої живляться електродвигуни, розрізняються, вони описані в ГОСТ 183-74 як режими S1-S6 [2]. Частота в мережі змінного струму 50 Гц, стандартна напруга в мережі - 220, 380 В. Відповідно, електродвигуни виготовляються під різні стандарти роботи електричної мережі. Живлення двигунів здійснюється постійним і змінним струмом.

Мікропроцесор – це пристрій, який здійснює прийом, обробку і видачу інформації.      Конструктивно        мікропроцесор         містить    одну     або    декілька інтегральних схем і виконує дії за програмою, записаною в пам’яті [3].

Мікропроцесорна система  – обчислювальна, контрольно-вимірювальна або  керувальна  система,  в  якій  основним  пристроєм  обробки  інформації  є мікропроцесор [3].

Сучасні мікропроцесорні  великі інтегральні схеми містять  всі складові ЕОМ – мікропроцесор, пам’ять даних, пам’ять програм, інтерфейсні схеми та   ефективно   використовуються   в   системах   керування   промислового   та  побутового обладнання. Перспективним напрямком розвитку промисловості є мікропроцесорне керування електродвигунами, це актуально у робототехніці, автомобілебудуванні та інших галузях промисловості [3].

Змінний струм  періодично міняє напрямок, звичайно 50 раз у секунду. Деякі двигуни змінного струму мають ротор, на який струм подається через колектор, як у двигунах постійного струму. Але в багатьох двигунів цього типу взагалі немає з'єднань із ротором. Їхня дія заснована на принципі індукції. Минаючий через статор змінний струм створює обертове магнітне поле, як було б у випадку обертання постійного магніту. Це поле, що рухається, змушує струм текти в напрямку обмоток ротора, намагнічуючи його. У результаті ротор обертається, тому що його полюси змушує рухатися по колу обертове навколо ротора магнітне поле. Часто ротор складається з мідних або алюмінієвих стрижнів, кінці яких з'єднують два металеві кільця. Ротор у зборі схожий на клітку, і такі машини називають двигунами з "білячою кліткою", [2] або короткозамкненими двигунами.

Електродвигуни змінного струму поділяються на підвиди:

  -  Синхронні електродвигуни - електродвигуни змінного струму, ротор якого обертається синхронно з магнітним полем живлячої напруги.

-  Асинхронні електродвигуни - електродвигуни змінного струму, в якому частота обертання ротора відрізняється від частоти магнітного поля, що обертається, створюється живлячою напругою [2].

У синхронних двигунах ротор складається з одного або декількох постійних магнітів. Їх полюси притягаються до різнойменних полюсів обертового магнітного поля, тому вони обертаються з однаковою швидкістю. Іноді замість постійних магнітів у роторах використовуються електромагніти, але принцип роботи залишається незмінним. В іншому типі синхронних двигунів використовуються перегони змінного струму для створення магнітного поля, яке покроково обертає ротор із зубчастим колесом. Більшість електродвигунів створюють обертовий рух. Але в деяких з них обмотки статора відкриті й розташовані на одній лінії, завдяки чому створюється магнітне поле, що рухається лінійно разом із провідниковим матеріалом. Такі двигуни називаються лінійними асинхронними. Вони використовуються для відкривання розсувних дверей, транспортування багажу в аеропортах, у швидкісних поїздах [21].

Промисловість виготовляє однофазні, двофазні та трифазні асинхронні двигуни, але у силових електроприводах найбільш розповсюджені трифазні двигуни. Однофазні та двофазні двигуни випускають тільки з номінальною потужністю на валі до 500 Вт. Асинхронні двигуни найбільш розповсюджені електричні машини. Вони складають біля 90% від усього парку електродвигунів, які перебувають в експлуатації. Основна область застосування асинхронних двигунів – електроприводи механізмів, які не вимагають плавного регулювання швидкості. До них можна віднести вентилятори, компресори, транспортери, токарні та свердлильні верстати, штампувальні преси ліфти та інші [2]. Хоча сучасний розвиток мікроконтролерів дає можливість використовувати асинхронні двигуни в механізмах з плавним регулюванням швидкості.

Широке розповсюдження асинхронних  двигунів пояснюється перш за все  їх дешевизною та простотою експлуатації. Трифазні асинхронні двигуни з короткозамкненим (КЗ) ротором найбільш розповсюдженого діапазону потужностей від 10 до 20 кВт у 3-5 разів дешевші від двигунів постійного струму тих самих потужностей. Для того, щоби асинхронний двигун запрацював, його достатньо ввімкнути до трифазної мережі, яка є на кожному підприємстві, а для роботи двигуна постійного струму необхідно ще встановлювати перетворювач змінного струму в постійний [32]. Слід зазначити, що у зв’язку з розробкою надійних і відносно дешевих перетворювачів частоти, асинхронні двигуни спроможні успішно конкурувати з двигунами постійного струму і в регульованих електроприводах.

Принцип роботи будь-якого асинхронного двигуна полягає у створенні  його обмоткою статора обертового магнітного поля. Створення обертового магнітного поля обмотками, що живляться від двофазної мережі, в якій струми зсуненні по фазі на 90 градусів. Будова трифазного двигуна в основному збереглася і досі. На рис. 1 схематично зображена будова такого асинхронного двигуна з КЗ ротором [2].

Рис. 1. Будова асинхронного електродвигуна

Двигун має чавунну станину 1 з ребрами, до розточки яких запресований виготовлений з листів електротехнічної сталі циліндричний статор 2 з виштампованими у ньому пазами 3. У пази 3 закладають трифазну обмотку статора, лобові ділянки якої 4 видно на рис 1 б. Сумісно з пакетом сталі статора 2 за допомогою підшипникових щитів 5 в середині статора розміщено ротор 6, який являє собою шихтований з листів електротехнічної сталі циліндр, насаджений на вал 7. У тілі ротора виштамповані пази до яких вставлені мідні або алюмінієві стержні 8. Виступаючи по торцях ротора кінці стержнів з’єднані між собою відповідно мідними або алюмінієвими кільцями 9. Таким чином утворюється показана на рис. 2 короткозамкнена обмотка типу «білочної клітки». Часто короткозамкнену обмотку ротора виконують відливанням її з алюмінію.

Рис. 2. Короткозамкнена обмотка.

Якщо статорна обмотка утворює  магнітний потік Ф, силові лінії якого замикаються по вказаному шляху, і цей потік обертається із швидкістю w₀ за годинниковою стрілкою, то у провідниках ротора утворюється ЕРС. Напрям цих ЕРС, показаний на рис 1 а, можна визначити за правилом правої руки, прийнявши, що магнітне поле нерухоме, а провідники обертаються із швидкістю w₀ проти годинникової стрілки. Оскільки всі провідники в пазах ротора сполучені між собою по торцях кільцями, в провідниках за напрямом дії ЕРС потечуть струми. Застосовуючи до цих провідників із струмом, що перебувають у створеному  статорною обмоткою магнітному полі, правило лівої руки, визначимо напрям електромагнітних сил Fпр, що діють на провідники ротора. Як показано на рис 1 а, ці сили обертають ротор у напрямку обертання поля статора [7].

В даний час набули великого поширення  асинхронні електродвигуни з короткозамкненим ротором. Це викликано тим, що такі машини не мають щіткового вузла, їх ротор  зроблений з алюмінію і технологічно дуже простий, а значить, сама конструкція  виходить дуже надійною. Розглянемо кілька способів управління асинхронним електродвигуном.

Найбільш поширеним типом асинхронного однофазного електродвигуна є двигун з двома статорними обмотками. Перша  і друга обмотки ідентичні  за кількістю витків, але послідовно з однієї з обмоток включають  конденсатор. Конденсатор забезпечує зрушення фаз між обмотками для  утворення обертового магнітного поля для ротора.  

Основним способом управління таким  двигуном в даний час, є частотний спосіб. Цей спосіб реалізується за допомогою спеціальних приладів, які називаються ШІМ інверторами. Ці інвертори, у свою чергу, бувають однофазними і трифазними, що визначається кількістю пар силових виходів для управління обмотками двигуна. Для управління однофазним двигуном може бути застосований як однофазний, так і трифазний інвертор.

При керуванні однофазним ШІМ перетворювачем частоти обидві обмотки двигуна включені паралельно [7]. Два виходу інвертора підключаються до точок з'єднання обмоток. Інвертор формує напругу з різною частотою і з лінійною залежністю напруга до частоти. Регулювати частоту можна як вниз, так і вгору. Діапазон регулювання зазвичай не перевищує 1:10, тому що ємність конденсатора в одній з обмоток безпосередньо залежить від частоти.

Основні переваги цього методу - це простота введення в експлуатацію, не вимагає переробки конструкції  двигуна; надійна робота, тому що частотний  перетворювач спеціально розроблений  для управління такими типами двигунів; хороші характеристики (ПІД-регулятор, встановлені швидкості, низький  пусковий струм, захисні функції  і т.д.) [13].  

До недоліків відносяться: тільки односпрямоване обертання; більш висока вартість і дефіцит однофазних перетворювачів у порівнянні з трифазними, з причини  їх малого випуску. 

При управлінні трифазним перетворювачем частоти обмотки двигуна включають послідовно. Виходи трифазного перетворювача підключають до середньої точки і до кінців обмоток електродвигуна. Конденсатор при цьому зі схеми виключають (потрібна деяка переробка двигуна). Так як обмотки двигуна зрушені на 90 градусів, а інвертор дає зрушення фаз на 120 градусів, то поле не буде ідеально круговим і це негативно позначиться на параметрах регулювання. Поле буде пульсуючим. Оскільки порядок комутації висновків інвертора можна змінювати програмним шляхом, то легко домогтися зміни чергування напруг на обмотках, отже, змінювати напрямок обертання ротора двигуна. 

До переваг слід віднести: доступність  на ринку і порівняно низьку ціну; можливість реверсивної роботи звичайного нереверсивного двигуна; більш широкий, ніж у однофазного перетворювача  діапазон регулювання; можливості програмованих  функцій як у однофазного інвертора  або навіть ширше за рахунок більшої  кількості комутованих виходів. 

Недоліки це: знижений і пульсуючий момент однофазного двигуна; підвищений його нагрівання; не всі стандартні перетворювачі готові для такої  роботи, тому що деякі виробники  прямо забороняють використовувати  свої вироби в такому режимі.

Фазове управління за допомогою  симісторного регулятора (диммера) є найстарішим, це обумовлено відсутністю, до недавнього часу, в широкому продажі частотних регуляторів і їх відносно високою ціною. При такому управлінні обмотки двигуна залишаються включеними паралельно. Одна з обмоток включена послідовно з фазозміщуючим конденсатором. До точкам паралельного з'єднання обмоток підключається семісторний регулятор [15].