Дослідження регулювальних властивостей та алгоритмів керування асинхронного електроприводу на базі перетворювача частоти Micromaster 440

Реферат

ВСТУП

        Сучасний етап розвитку промислових електроприводів (ЕП) та систем автоматичного керування характеризується широким спектром різноманітних новаторських пропозицій, що народжуються завдяки проведенню науково-дослідних та експериментальних робіт. Провідні виробники на ринку техніки для електроприводу та автоматизації технологічних комплексів пропонують багато цікавих пристроїв та технічних рішень на їх основі. Завдяки цьому сьогодні за допомогою сучасної техніки стає можливим вирішення майже будь-якого технічного завдання та реалізації систем автоматичного керування об’єктом з дуже високим рівнем складності (будь то окремий механізм чи цілий цех або завод зі складною структурою пов’язаних між собою технологічних комплексів).
        Проте, якими би ідеальними не були альтернативні сучасні електричні машини та їх системи керування, безумовним лідером у застосуванні на промислових підприємствах і не тільки, є система автоматичного керування, побудована на базі асинхронного двигуна (АД) із застосуванням перетворювача частоти (ПЧ). Ця система дозволяє отримати дуже непогані техніко-економічні показники застосування регульованого приводу у статичних та динамічних режимах роботи. Крім того, для побудови такої системи не має потреби в заміні електричної машини та механічних вузлів. Сучасні ПЧ зарубіжних виробників непогано працюють зі старими машинами вітчизняного виробництва. Звичайно, мають місце багато нюансів, на які слід звертати увагу при роботі ПЧ з АД серійного виробництва (який взагалі-то не призначений для роботи у складі системи регулювання). Це погіршення охолодження при роботі на пониженій швидкості при постійному навантаженні; деякі втрати, пов’язані з роботою при значеннях струмів та напруг, що відрізняються від номінальних, та, як наслідок цього, зниження коефіцієнта корисної дії та коефіцієнта потужності [1].
        Взагалі, ЕП змінного струму на базі АД з короткозамкненим ротором та ПЧ є основним видом електромеханічного перетворення енергії, який успішно застосовується на підприємствах. Новітні технології та розробки, зокрема ті, що потребують глибокої або повної перебудови виробництва залишаються недосяжною метою для підприємств та фабрик, а старі системи нерегульованого приводу вже настільки віджили себе, що є збитковими у будь-якому випадку та ніяк не піддаються модернізації.
        У цій ситуації механізми, що оснащені асинхронним нерегульованим приводом та потребують удосконалення, виходячи з потреб технологічного процесу або економії електроенергії, є прекрасним об’єктом для автоматизації. Керування асинхронною машиною за допомогою ПЧ є простим, ефективним та економічним способом, тому система ПЧ – АД є найбільш поширеною системою автоматизованого ЕП.
        Сучасні перетворювачі частоти – це ПЧ з подвійним перетворюванням енергії, тобто мають у своєму складі ланку постійного струму, що трохи знижує його к.к.д., проте інші суттєві переваги перетворювачів цього типу забезпечує їм домінуюче положення у сучасному автоматизованому ЕП. Таким чином, реалізується класична схема, за допомогою якої напруга промислової сіті перетворюється до напруги змінної частоти та амплітуди. Завдяки високоякісним силовим елементам та складній мікропроцесорній управляючій частині реалізуються відомі закони та алгоритми управління асинхронним ЕП. Обширна та розгалужена система настройки параметрів ПЧ дозволяє дуже точно настроювати привод відповідно до вимог конкретного механізму або технологічного процесу.

АКТУАЛЬНІСТЬ РОБОТИ

        Застосування електроприводу змінного струму у системі «перетворювач частоти – асинхронний двигун» на сьогоднішній день є найбільш поширеною системою автоматизованого ЕП, тому що керування асинхронною машиною за допомогою ПЧ є простим, ефективним та економічним способом реалізації регульованого електроприводу. Поглиблене вивчення теоретичного матеріалу стосовно асинхронного частотно-регульованого електроприводу, освоювання програмного забезпечення для роботи з ПЧ, здобуття практичного досвіду роботи з електромеханічним обладнанням та проведення практичних досліджень у реальних умовах є актуальними аспектами даної роботи.

ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

        У зв’язку з дуже широким розповсюдженням систем частотного керування у всіх сферах промисловості і не тільки, проводиться велика кількість теоретичних та практичних досліджень з даної теми в умовах різних науково-дослідницьких центрів та вищих навчальних закладів.

ЗАДАЧІ, ЩО ВИРІШУЮТЬСЯ У ДАНІЙ РОБОТІ

• розробка та  монтаж експериментальної установки для проведення досліджень з використанням промислового обладнання;
• дослідження статичних і динамічних характеристик ЕП при імітації моменту статичного навантаження на валу асинхронного двигуна у відповідності до деякої діаграми;
• проведення порівнювального аналізу регулювальних властивостей ЕП у різних режимах роботи.

ОСНОВНА ЧАСТИНА

        Монтаж експериментального стенда для дослідження асинхронного частотно-регульованого електропривода виконано в лабораторії систем керування електроприводами кафедри ЕАПУ. В основі стенда використано перетворювач частоти Micromaster 440 виробництва фірми Siemens. Micromaster 440 є серійним перетворювачем, призначеним для регулювання трьохфазних електродвигунів змінного струму. Він оснащений мікропроцесорною системою управління, що забезпечує оптимальну роботу ЕП у технологічному процесі, та використовує сучасні технології з IGBT модулями-транзисторами (Insulated Gate Bipolar Transistor – біполярний транзистор з ізольованим затвором). Оригінальний метод широтно-імпульсної модуляції з вибором частоти комутації дає можливість безшумної роботи електродвигуна. Обширні функції захисту забезпечують ефективний захист перетворювача та двигуна. Поєднання ПЧ з персональним комп’ютером надає багато можливостей у дослідженні та наглядному представленні принципів систем автоматичного регулювання тієї чи іншої координати приводу. Реалізація відомих законів (принципів, алгоритмів) управління з різними додатковими функціями та дуже широкими можливостями перенастройки та адаптації параметрів дає простір для досліджень поведінки приводу в різних умовах та аналізу експериментальних даних, отриманих, наприклад, при різних законах управління в умовах незмінного навантаження, або побачити реакцію системи регулювання на вплив збурення різного характеру.
        Узагальнена принципова схема силової частини стенда показана на рис.1.

Рисунок 1 – Узагальнена схема експериментального стенда
(GIF-анімація, 3 кадри, 189Kb, безупинне повторення)

        Монтаж обладнання стенда виконаний із дотриманням принципів блочно-модульної структури і секціонування ділянок схеми стенда. Усі необхідні органи керування та засоби візуалізації виведені на передню панель для забезпечення зручного та безпечного доступу до них. Стенд передбачає можливість двох варіантів створення навантаження на валу асинхронного двигуна М1 . В якості навантажувальної машини застосовано генератор постійного струму М2  – машину із змішаним збудженням, яка працює як машина незалежного збудження, бо шунтова обмотка є підключеною до незалежного джерела, а послідовна не задіяна зовсім. Генератор поєднаний з АД муфтою, і може виступати в якості імітатора робочого органу, який створює момент статичного навантаження на валу АД. Обмотка збудження LM2 генератора отримує живлення від джерела постійного струму, у ролі якого виступає однофазний некерований випрямляч UZ. Можливість формування лінійної залежності моменту навантаження в функції швидкості реалізовано найбільш просто – через під’єднання якоря до розрядного реостата Rp і організації таким чином роботи М2 у режимі динамічного гальмування. Опір розрядного реостата обрано таким чином, що при номінальній швидкості обертання та наявності струму збудження на клемах якірної обмотки генерується ЕРС, яка обумовлює протікання в ній струму, величина якого є близькою до номінального значення. Схема стенда передбачає також можливість живлення якоря навантажувальної машини від приводу постійного струму БТУ-3601, що дає можливість створювати постійний (незалежний від швидкості обертання) статичний момент, а також змінний момент, формування якого може здійснюватися у відповідності до деякої діаграми за допомогою задавача моменту ЗМ.
        Фотоімпульсний датчик швидкості BV призначений для зняття інформації про реальну швидкість обертання валу електричних машин та виводу її у наочній формі для візуального контролю та порівняння з розрахунковою величиною. Розробка та конструювання датчика також виконана у лабораторних умовах [3].
        Керування ПЧ, контроль та діагностування роботи приводу, візуалізація та реєстрація отриманих у результаті досліду статичних та динамічних характеристик, запис значень усіх необхідних величин здійснюється за допомогою персонального комп’ютера ПК, з яким ПЧ сполучений через спеціальний модуль, що використовує стандартний інтерфейс зв’язку RS232. Програмне забезпечення DriveMonitor або Starter, встановлене на комп’ютері, надає зручний доступ до всіх параметрів системи, дозволяє змінювати їх, керувати роботою приводу у режимі online та контролювати стан системи з наочним представленням поточних змінних даних процесу [4].

ВИСНОВОК

        Налагоджений та готовий до роботи експериментальний стенд призначений для проведення  досліджень регулювальних властивостей асинхронного частотно-регульованого електроприводу, а також проведення лабораторних робіт для студентів та магістрів.

ЛІТЕРАТУРА

1. Комплектні електроприводи: Навч. посібник / М.М. Казачковський – Дніпропетровськ: Національний гірничий університет, 2003. – 226 с.
2. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: Учебник – М.: Академия, 2006 – 265 с.
3. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение: Пер. с нем. – М.: Мир, 1989. – 196 с.
4. Micromaster 440. Руководство по эксплуатации. Документация пользователя. Издание А1. – Siemens AG 2007. – 140 с.
5. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными электроприводами. - М.: Энергоиздат . 1982. - 216 с.
6. Ссылка – Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателя-
   ми/Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006, – 94 с.
7. Ссылка – Автоматизация нагрузочных испытаний асинхронного электропривода. Е.В. Шульгин.
8. Ссылка – Энергетические показатели асинхронного двигателя в частотном электроприводе при различных законах управления. В.С. Петрушин, канд. техн. наук, А.А. Таньков.