Система управления электроприводом механизма горизонтального перемещения крана-штабелера

Векторный принцип управления заключается: наряду с осуществляющимися (как при скалярном управлении) регулирующими воздействиями САУ электроприводом на частоту , и амплитуду (или ) основных гармонических составляющих фазных статорных напряжений (токов) машины, также - в дополнительном одновременном регулировании тригонометрических аргументов (фазовых углов) основных гармонических составляющих фазных статорных напряжений (или токов) асинхронной машины. Как следствие, при векторном управлении (в отличие от рассмотренного предыдущего скалярного) от САУ электроприводом единственным образом (т.е. - однозначно) задается текущее (мгновенное для любого момента времени) значение обобщенного вектора основных гармоник статорного напряжения  или тока машины. Именно, исходя из последней особенности (обеспечивающей полное и однозначное регулирование упомянутых обобщенных векторов основных гармоник статорного напряжения или тока машины) данное управление общепризнанно получило название "векторного".

 

За счет полного (однозначного) управления текущим значением обобщенного вектора основных гармоник статорного напряжения (тока) машины, при векторном управлении становится возможным регулирование, в свою очередь, мгновенных (текущих) значений потокосцеплений и электромагнитного момента асинхронной машины. Такое регулирование требуется при создании высококачественных (с повышенным быстродействием и точностью) САУ частотно-регулируемых электроприводов.

Если сравнить между собой  в стационарных режимах качество частотно-регулируемых асинхронных электроприводов со скалярным и с векторным управлением, то в указанных стационарных режимах реализуемое качество при одинаковых законах частотного управления машиной (характеризуемое статическими механическими характеристиками, точностью поддержания регулируемых параметров режима электропривода, энергетическими показателями машины) для обоих рассматриваемых принципов частотного управления практически равнозначно. Однако, главное существенное отличие между собой частотно-регулируемых электроприводов со скалярным и векторным управлением наблюдается в динамических режимах, где электроприводы с векторным управлением (в отличие от скалярного) обеспечивают в значительной степени лучшие динамические свойства (по быстродействию и возможности формировать желаемое качество электромагнитных и механических процессов), а также - гарантированную устойчивую свою работу в широких диапазонах регулирования скорости и изменения момента нагрузки машины.

Из этого следует основная и наиболее рациональная область  применения векторного принципа управления, заключающаяся в его использовании  для высокодинамичных (функционирующих  в условиях резких изменений электромагнитного  момента двигателя) и широкодиапазонных (с расширенными диапазонами изменения  скорости и момента нагрузки) частотно-регулируемых асинхронных электроприводов, к которым одновременно предъявляются повышенные требования по быстродействию или в части заданного (желаемого) качества формируемых переходных электромеханических процессов привода.

Таким образом, на основе выше сказанного для электропривода крана-штабелера  горизонтального перемещения в  курсовом проекте будет проектироваться  векторная система управления с  ориентацией поля ротора в системе  координат с управляемой скоростью (система управления с косвенной ориентацией), так как данный электропривод имеет явно выраженные динамические характеристики и требует формирования качественных переходных процессов. Выбрана система векторного управления с косвенной ориентацией, так как она является проще в конструктивном плане относительно систем управления с прямой ориентацией. Для построения систем с прямой ориентацией требуется наличие датчиков магнитного потока, которые являются очень ненадежными, что ограничивает применение подобных систем.

 

3. Анализ характеристик  силовой части электропривода как  объекта управления

При проектировании систем управления важным моментом является выбор математической модели силовой части объекта управления (ОУ). В составе автоматизированного электропривода объект управления включает в себя  преобразователь, двигатель и механизм.

 Так как в данном  проекте планируется использовать  векторную систему управления, то  целесообразно выбрать математическую  модель ОУ в которой фигурируют  только токи статора и потокосцепление  ротора.

Для построения модели объекта  управления необходимо произвести ряд дополнительных расчетов и преобразований.

1. Расчет параметров модели силовой части.

1. Номинальные данные двигателя

Номинальные данные приведены для 3-хфазного асинхронного двигателя 4А80А6У3.

Паспортные данные:

Полезная  мощность на валу двигателя:

 

Номинальное фазовое напряжение:

 

Номинальный фазный ток статора:

 

Номинальная частота напряжения статора:

 

Синхронная частота вращения:

 

Номинальное скольжение двигателя:

 

 

Число пар  полюсов:

 

Параметры для Т-образной схемы замещения  асинхронного двигателя:

Активное сопротивление обмотки статора:

 

Индуктивное сопротивление  рассеяния обмотки статора:

 

Главное индуктивное сопротивление:

 

Активное сопротивление  обмотки ротора, приведённое к  параметрам статора:

 

Индуктивное сопротивление  рассеяния обмотки ротора, приведённое  к параметрам статора:

 

Т-образная схема замещения асинхронного двигателя

 

Рис. 3.1

2. Расчет  номинального режима двигателя.

1. Номинальная угловая  скорость

 

2. Номинальная скорость вращения ротора:

 

3. Абсолютное скольжение:

 

4. Составляющая  тока статора по оси 0x:

 

5. Составляющая  тока статора по оси 0y:

 

6. Модуль вектора  потокосцепления ротора:

 

7. Электромагнитный  момент:

3. Параметры модели асинхронного двигателя

1. Индуктивность рассеяния  обмотки статора:

 

2. Индуктивность рассеяния  обмотки ротора, приведенная  к  статору:

 

3. Коэффициент взаимоиндукции:

 

4. Полная индуктивность  обмотки статора:

 

5. Полная индуктивность  обмотки ротора:

 

6. Постоянная времени  цепи ротора:

 

7. Коэффициент связи  ротора:

 

8. Эквивалентная индуктивность  рассеяния фазы двигателя:

 

9. Эквивалентное активное сопротивление фазы двигателя:

 

10. Электромагнитная  постоянная времени:

4. Параметры модели двигателя в относительных  единицах.

Базисные величины:

1. Базисная угловая частота:

 

2. Базисный момент:

 

3. Базисная механическая скорость:

 

4. Базисный ток:

 

5. Базисное напряжение:

 

6. Базисное потокосцепление:

 

7. Базисное сопротивление:

 

8. Базисная индуктивность:

 

Для цепи ротора принял те же базисные величины, что и для цепи статора.

Параметры двигателя в относительных  единицах:

1. Эквивалентное сопротивление фазы двигателя в о. е.:

 

2. Эквивалентная индуктивность  рассеяния фазы двигателя в о. е.:

 

3. Индуктивность рассеяния  обмотки статора в о. е.:

 

4. Индуктивность рассеяния  обмотки ротора в о. е.:

 

5. Коэффициент взаимоиндукции в о. е.:

 

6. Полная индуктивность  обмотки статора в о. е.:

 

7. Полная индуктивность обмотки  ротора в о. е.:

 

8. Активное сопротивление  статора в о. е.:

 

9. Активное сопротивление  ротора в о. е.:

 

10. Коэффициент затухания  цепи ротора:

 

11. Механическая  постоянная времени:

 

Для удобства дальнейших расчетов все параметры представим в таблице 3.1.4.1

Таблица 3.1.4.1 Значение параметров модели АД в физических и относительных единицах

Обозначение параметра в абсолютных единицах	Значение параметра в абсолютных единицах	Обозначение параметра в относительных  единицах	Значение параметра в относительных  единицах

 

2. Матиматическая  модель силовой части частотнорегулируемого асинхронного электропривода

В общем случае модель электромеханической  системы с асинхронным двигателем состоит из системы уравнений  электромагнитных контуров АД, уравнения  электромагнитного момента АД и  уравнений механической части. Также  данная система уравнений может  быть дополнена уравнениями для  расчета мощностей и потерь в  электромеханической системе.

Исходно уравнения электромагнитных контуров записываются для каждой фазы АД. Для трехфазной машины в этом случае существуют три уравнения  статорных и три уравнения  роторных цепей. При этом электромагнитные связи обмоток статора и ротора описываются с помощью переменных коэффициентов взаимоиндукции, зависящих  от угла поворота ротора относительно статора. В случае соединения обмоток  двигателя в звезду без нейтрального провода трехмерная модель симметричного  АД оказывается избыточной, так как  уравнения для фазных переменных (напряжений, токов, потокосцеплений) являются линейно зависимыми.

Тогда для устранения избыточности исходной системы, а также для  устранения периодических коэффициентов  в уравнениях целесообразно преобразовать  исходные уравнения от трехмерной к  вращающейся свободно ориентированной  двухмерной системе координат.

Для минимизации числа  математических операций целесообразно  использовать двухэтапное преобразование координат. В этом случае при прямом преобразовании координат на первом этапе переходят от неподвижной  трехфазной модели к неподвижной  двухфазной. На втором этапе вводят векторное преобразование поворота и, тем самым, переходят к вращающейся системе координат.

Геометрическая интерпретация  преобразования переменных на примере  вектора напряжения статора показана на следующей векторной диаграмме:

Геометрическая  интерпретация преобразования переменных

 

Рис. 3.2.1

где:

–неподвижная трехфазная система координат;

 – неподвижная прямоугольная  система координат;

– прямоугольная система координат, вращающаяся с произвольной скоростью ;

 – вектор напряжения статора;

 – проекции вектора напряжения статора на оси 0xи 0yсоответственно;

 – угловая скорость  прямоугольной системы координат;

 – угловая скорость  вектора напряжения статора;

 – угол поворота  системы координат  относительно неподвижной оси ;

 – угол поворота  вектора напряжения статора относительно  неподвижной оси ;

Для упрощения модели объекта  управления используем математический прием ориентации системы координат. Под ориентацией понимается совмещение одной из оси прямоугольной системы координат с ориентирующим вектором. В качестве варианта ориентации системы координат была выбрана косвенная ориентация, то есть ориентация поля ротора в системе координат с управляемой скоростью.