PRACA DYPLOMOWA
POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
Instytut Elektrotechniki Teoretycznej i Przemysłowej Zakład Napędu Elektrycznego i Energoelektroniki
PRACA PODYPLOMOWA
Temat:Analiza porównawcza i badania symulacyjne wybranych struktur zamkniętych układów sterowania w napędach z elastycznym połączeniem mechanicznym
Promotor: Wykonał: Dr inż. Piotr Zaleśny Sebastian Brzózka
Gliwice
Spis treści. str.1. Wstęp.2. Motywacja.3. Stan aktualny tematyki.4. Cel pracy.
5. Analiza teoretyczna pracy.
5.1. Sposoby regulacji napędów elektrycznych.
5.2 Podział metod częstotliwościowego sterowania silnika.
5.3. Opis metod wektorowego sterowania częstotliwościowego
napędów elektrycznych.
5.4. Analiza porównawcza dynamicznych właściwości układów
regulacji prędkości napędu z połączeniem sprężystym.
5.5. Dokładna analiza dwóch wybranych struktur sterowania.
5.6. Podsumowanie.
6. Część badawcza pracy.
6.1. Opis komputerowego modelu układu sterowania.
6.2. Symulacja napędów z połączeniem sprężystym
w programie MATLAB
6.3. Wyniki symulacji komputerowych.
6.4. Pomiary wybranego układu sterowania wykonane
na stanowisku laboratoryjnym.
7. Analiza i weryfikacja badań
7.1. Porównanie wyników symulacji komputerowych
z pomiarami laboratoryjnymi.
7.2. Podsumowanie.
8. Zakończenie. Wnioski
Literatura
Dodatek
1. Wstęp.
• Przedmiotem pracy jest analiza porównawcza i badania symulacyjne, symulacje komputerowe, wybranych struktur zamkniętych układów sterowania w napędach elektrycznych z elastycznymi połączeniami mechanicznymi.
• Motywacja. Wykazanie zalet i wad przebadanych rozwiązań układów sterowania w układzie zamkniętych, stosowanych w napędach z połączeniem sprężystym. Realizacja i symulacja struktur współczesnych układów sterowania w celu analizy wyników i ich udokumentowania.
• Cel pracy: Celem pracy jest zbadanie współczesnych układów sterowania i regulacji nowoczesnych napędów elektrycznych pod kątem sprawności i skuteczności ich pracy, oraz oszczędności energii elektrycznej.
• Struktura pracy:
– Część główna teoretyczna:
– Część główna symulacyjna:
– Część główna eksperymentalna:
2. Motywacja.
Wykazanie zalet i wad przebadanych rozwiązań układów sterowania w układzie zamkniętym, stosowanych w napędach z połączeniem sprężystym. Realizacja i symulacja struktur współczesnych układów sterowania oraz analiza wyników pomiarów posłuży mi do porównania wybranych struktur sterowania napędów elektrycznych, pod kątem takich parametrów napędów jak: prędkość obrotową, moment obrotowy, czas rozruchu i jego charakterystyka, zużycie energii. Potrzeba regulacji tych parametrów wyjściowych silnika wynika ze względów technologicznych oraz oszczędności energii i jest przedmiotem badań największych firm na świecie zajmujących się tematyką napędów elektrycznych.
3. Stan aktualny tematyki.
W początkach XX wieku regulacje parametrów wyjściowych silników elektrycznych stosowano w bardzo ograniczonym zakresie (głównie silniki prądu stałego) i prostymi, mało ekonomicznymi metodami.
Znaczącym postępem było wprowadzenie do praktyki przemysłowej tzw. Układu Leonarda. Umożliwiło to regulację silników prądu stałego.
Silnik elektryczny trójfazowy prądu przemiennego, którego zastosowanie w przemyśle w pierwszej połowie XX wieku osiągnęło największe sukcesy (głównie ze względu na trójfazowy system przesyłu i rozdziału energii elektrycznej) sprawił duże trudności przy próbach regulacji prędkości obrotowej lub momentu. Z tego względu regulację parametrów wyjściowych silników stosowano głównie do silników prądu stałego. W przypadku silników prądu przemiennego, który z uwagi na swoje właściwości ruchowe był najczęściej stosowanym, do regulacji prędkości były używane metody mechaniczne (przekładnie, sprzęgła regulowane). Najczęściej jednak silnik trójfazowy prądu przemiennego był stosowany bez układów regulacji, tylko wyposażony w aparaturę łączącą i zabezpieczającą.
W lalach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych znacząco rozwinęła się technika półprzewodnikowych elementów sterowanych. W napędzie elektrycznym rozpoczął się okres szerokiego stosowania tyrystorowych przekształtników do silników prądu stałego. Rozwijały się także badania w dziedzinie napędu prądu przemiennego, choć w zastosowaniach przemysłowych znacznie wolniej niż w dziedzinie napędu z silnikami prądu stałego.
Na przełomie lat 1980 i 1990, kiedy wprowadzono w zastosowania tyrystory wyłączalne typu GTO oraz tranzystory mocy IGBT, rozpoczęła się znacząca produkcja przemienników częstotliwości (przetwornice częstotliwości) stosowanych do zasilania silników prądu przemiennego. W ciągu 5 lat (1990 -95) technika wytwarzania przemienników stała się na tyle prosta, że aktualnie przetwornice częstotliwości są wytwarzane przez setki firm. Konstrukcja współczesnego przemiennika częstotliwości umożliwia w prosty sposób uruchomienie regulowanego napędu z silnikiem prądu przemiennego.
4. Cel pracy
Celem pracy jest zbadanie współczesnych układów sterowania i regulacji nowoczesnych napędów elektrycznych z elastycznym połączeniem mechanicznym pod kątem sprawności i skuteczności ich pracy, oraz oszczędności energii elektrycznej. Zostaną przedstawione wybrane struktury sterowania napędów elektrycznych za sprzężeniem zwrotnym, oraz analiza parametrów napędów sterowanych, takich jak: prędkość obrotową, moment obrotowy, czas rozruchu i jego charakterystyka, zużycie energii, oraz ich możliwości poprawy w zależności od modyfikacji układów sterujących napędy.
Następnie zostaną zrealizowane badania symulacyjne w programie MATLAB.
Klasyfikacja napędów. Podstawowe rodzaje napędów. Metody i sposoby zasilania różnych rodzajów napędów elektrycznych (napędy prądu stałego, napędy prądu przemiennego i napędów z przemiennikiem częstotliwości). Układy sterowania i automatycznej regulacji napędów prądu stałego i przemiennego. Kinematyka pracy napędów elektrycznych. Modele napędów. Równania ruchu. Analiza obciążenia napędów. Charakterystyki momentów obciążenia. Zapotrzebowanie mocy napędów.
Sterując energią elektryczną dostarczaną do silnika reguluje się jego prędkość obrotową i moment obrotowy. Potrzeba regulacji tych parametrów wyjściowych silnika wynika ze względów technologicznych oraz oszczędności energii.
5.1.1. Regulacja przez zmianę napięcia zasilającego – zmiana poślizgu
Przez zmianę napięcia zasilającego silnik, przy stałym momencie hamującym, można
wpłynąć na zmianę poślizgu z jakim pracuje silnik. Zakres regulacji wynosi około 10% w dół od prędkości znamionowej. Ten sposób regulacji nie jest więc korzystny. Zmniejszaniu napięcia przy stałej wartości momentu towarzyszy wzrost prądów, w obwodzie wirnika jak i stojana, co powoduje niekorzystny wzrost strat w uzwojeniach. Zmianę wartości napięcia można uzyskać za pomocą autotransformatora, reaktancji regulacyjnych, rezystancji regulacyjnych w obwodzie stojana itp. W praktyce ten sposób regulacji prędkości obrotowej silnika indukcyjnego jest prawie nie stosowany.
5.1.2. Regulacja przez zmianę rezystancji w obwodzie wirnika – zmiana poślizgu
Zmiana rezystancji w obwodzie wirnika powoduje zmianę przebiegu charakterystyki mechanicznej silnika. Cechą charakterystyczną jest zachowanie stałej wartości momentu maksymalnego. Wzrostowi rezystancji odpowiada wzrost wartości poślizgu krytycznego. W ten sposób można regulować prędkość silnika od znamionowej do dowolnie małej. Ten rodzaj regulacji jest nieekonomiczny, ponieważ w rezystorach regulacyjnych występują duże straty mocy. Stosuje się go w szerszym zakresie prędkości tylko dla małych silników. W dużych jednostkach regulacje taką stosuje się w zakresie 10 do 15%.
5.1.3. Regulacja prędkości przez zmianę liczby par biegunów.
Silniki, w których dokonuje się takiej regulacji nazywamy silnikami wielobiegowymi. Znalazły one szerokie zastosowanie w napędach obrabiarek. Regulacje taką można realizować stosując dwa niezależne uzwojenia w stojanie o różnych liczbach biegunów magnetycznych, lub jedno uzwojenie, które można przełączać tak, aby wytwarzało pola o różnych liczbach par biegunów. Ten sposób regulacji prędkości może być stosowany tylko w silnikach klatkowych.
5.1.4. Regulacja prędkości przez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego
Zmieniając częstotliwość zasilania regulujemy prędkość wirowania pola magnetycznego, a w konsekwencji prędkość wirowania wirnika. Sposób ten umożliwia płynną regulację prędkości obrotowej silnika w bardzo szerokim zakresie. Omawiany sposób regulacji wymaga oddzielnego źródła zasilania o regulowanej częstotliwości. Realizuje się to poprzez stosowanie półprzewodnikowych regulatorów mocy (falowników). Zastosowanie falownika zapewnia równocześnie szereg funkcji dodatkowych, a przede wszystkim zabezpieczanie przeciw przeciążeniu, zwarciom w obwodach silnika, oraz sterowanie procesem rozruchu i hamowania. Jedną z cech napędu falownikowego jest możliwość uzyskania oszczędności energii, która może sięgać nawet do 50%.
5.2. Podział metod częstotliwościowego sterowania silnika
Silniki asynchroniczne ze względu na niski koszt wytwarzania, prostą konstrukcję i łatwą eksploatację są najczęściej stosowanymi maszynami elektrycznymi. Często silniki tego typu podłącza się bezpośrednio do sieci trójfazowej, gdzie sztywna charakterystyka mechaniczna zapewnia stałą prędkość kątową wału. Nieraz jednak napędzane urządzenia przemysłowe wymagają regulowanej prędkości kątowej. Dąży się do stworzenia układów napędowych posiadających zdolność regulacji prędkości kątowej w jak najszerszym przedziale. Z tego powodu powstało wiele rozwiązań w dziedzinie sterowania silnikiem.
Ciągły postęp techniki półprzewodnikowej umożliwia konstruowanie falowników napięcia, dzięki którym można płynnie regulować prędkość silnika. Rozwój elementów elektronicznych mocy (tranzystory IGBT) umożliwia budowę falowników o modulowanej szerokości impulsów PWM. Przy zastosowaniu dużej częstotliwości łączeń można uzyskać zbliżony do sinusoidalnego przebieg napięcia przy stosunkowo niskich stratach. Postęp techniki cyfrowej przyczynia się do rozwoju napędów przekształtnikowych. Możliwe są do realizacji skomplikowane obliczenia układu sterowania w bardzo krótkim czasie mieszczącym się pomiędzy dwoma przełączeniami kluczy falownika.
Współczesne układy napędowe z silnikami indukcyjnymi sterowane są przez zmianę częstotliwości zasilania. Do tego celu stosowane są powszechnie pośrednie przemienniki częstotliwości składające się z prostownika, obwodu pośredniczącego napięcia (prądu) stałego i falownika napięcia (prądu).
Celem sterowania jest:
- Ciągła kontrola wzajemnego położenia zmiennych wektorowych przestrzennych związanych z wytworzeniem momentu elektromagnetycznego silnika
- Odsprzężenie dynamiczne między regulacją momentu i strumienia (sterowanie dwustrefowe, energooszczędne)
- Pełne wykorzystanie dysponowanej dynamiki silnika i mocy przemiennika
częstotliwości
- Niezawodność funkcjonowania układów napędowych.
Wszystkie układy sterowania częstotliwościowego, stosowane w przemyśle można podzielić na układy sterowania zewnętrznego i wewnętrznego. W zależności od tego w jakiego rodzaju procesie przemysłowym ma być stosowany silnik, każda z tych metod sterowania ma swoje wady i zalety.
5.2.1. Układ ze sterowaniem zewnętrznym.
Sterowanie odbywa się bez udziału maszyny. Wadą układów ze sterowaniem zewnętrznym jest to, że każdorazowa zmiana częstotliwości zasilania lub momentu obciążenia wywołuje niekontrolowane elektromagnetyczne procesy przejściowe w maszynie. Objawia się to skłonnością do słabo tłumionych i długo trwających oscylacji, utykaniem (silnik klatkowy) lub wypadaniem z synchronizmu (silnik synchroniczny). Powoduje to, że napędy z takim sterowaniem są stosowane tam gdzie nie są wymagane bardzo dobre właściwości dynamiczne układu napędowego, częste zmiany prędkości lub obciążenia.
Rys.1a Sposób sterowania silników prądu przemiennego w układzie sterowania zewnętrznego
5.2.2. Układ o sterowaniu wewnętrznym.
W takim układzie wykorzystuje się pomiary wybranych wielkości, tj. prędkość kątową, kąt położenia wału, wektor przestrzenny napięcia stojana us lub strumienia 1s do realizacji sprzężeń zwrotnych.
Sterowanie takie wymaga specjalistycznych układów sterowania, które znacznie komplikują układ – dlatego też stosowane jest ono zazwyczaj wszędzie tam gdzie wymagana jest bardzo dobra dynamika oraz dobre właściwości dynamiczne układu napędowego.
...
skyline1985