125213 (Плавный пуск двигателя постоянного тока по системе "Широтно-импульсный преобразователь - двигатель постоянного тока")

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КАФЕДРА СИСТЕМ АВТОМАТИЧНОГО УПРАВЛІННЯ І

ЕЛЕКТРОПРИВОДА

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

З ДИСЦИПЛІНИ: “ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДА”

НА ТЕМУ: “ПЛАВНИЙ ПУСК ДВИГУНА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

ПО СИСТЕМІ “ ШИРОТНО ІМПУЛЬСНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ – ДВИГУН

ПОСТІЙНОГО СТРУМУ“

Розробив:

Керівник:

2002

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН

№	Назва етапів курсового проекту	Строк виконання етапів проекту
1	Аналіз технічного завдання і вибір широтно імпульсного перетворювача	15 жовтня 2002
2	Аналіз функціональної схеми та розробка технічної документації	30 жовтня 2002
3	Розробка системи управління транзистором та виготовлення печатної плати	20 листопада 2002
4	Розрахунок схеми заміщення	30 листопада 2002
5	Побудова статичних, механічних та швидкісних характеристик	5грудня 2002
6	Вибір силових елементів та розрахунок параметрів схеми	10 грудня 2002
7	Розрахунок енергетичних характеристик	25 грудня 2002
8	Математичне моделювання	10 січня 2003
9	Оформлення проекту	27 січня 2003

Студент _____________

Керівник _____________

“_______”______________________200 р

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ

ШИП - широтно імпульсний перетворювач

ДПТ - двигун постійного струму

АД - асинхронний двигун

ИП - імпульсний перетворювач

ЭОМ – електронно-обчислювальна машина

ИДК - вимірювально діагностичний комплекс

ШД - шаговий двигун

ЧРП - частотно регульований привод

КПД - коефіцієнт корисної дії

ГПИ - генератор пилоподібних коливань

ЗАВДАННЯ

на курсовий проект студента

____________________________________

1. Тема роботи Плавний пуск двигуна постійного струму по системі “ Широтно імпульсний перетворювач – двигун постійного струму “. Основна частина – розробка системи плавного пуска двигуна постійного струму на базі мікроконтроллера PIC 16F 877

2. Строк здачі студентом закінченої роботи 28.01.03

3. Вихідні дані до роботи технічні характеристики двигуна, технічні характеристики існуючих систем широтно імпульсних модуляторів

4. Зміст розрахунково – пояснювальної записки аналіз існуючих імпульсних перетворювачів і вибір найбільш оптимальної, розробка технічної документації на стенд, розробка принципової та функціональної схем, вибір силових елементів.

5. Дата видачі завдання жовтня 200 р

СОДЕРЖАНИЕ

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН 2

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ 3

ЗАВДАННЯ 4

Введение 6

1. Преимущества и недостатки системы ШИП – ДПТ 8

1.1 Импульсные преобразователи постоянного напряжения (общие сведения) 8

1.2 Анализ существующих импульсных преобразователей 8

2. Функциональная схема лабораторного стенда 11

3. Разработка технической документации на лабораторный стенд системы ШИП – ДПТ 13

3.1 Общий вид лабораторного стенда 13

3.2 Принципиальная схема стенда после доработки 15

3.3 Перечень функциональных возможностей лабораторного стенда 16

3.4 Система управления на базе микроконтроллера PIC 16F 877 17

4. Расчет схемы замещения 24

5. Статические характеристики системы ШИП – ДПТ 26

6. Выбор силовых элементов 31

6.1 Выбор силового трансформатора 31

6.2 Выбор силового транзистора 32

6.3 Выбор обратного диода 33

7. Расчет преобразователя 35

8. Расчет энергетических характеристик 42

9. Математическая модель системы ШИП – ДПТ 45

ВЫВОД 50

Введение

Сохранение электрической энергии становится важной частью общей тенденции по защите окружающей среды. Электродвигатели, приводящие в действие системы в быту и на производстве, потребляют значительную часть производимой энергии. Большинство этих двигателей работают в нерегулируемом режиме и, следовательно, с низкой эффективностью. Недавний прогресс в полупроводниковой индустрии, особенно в силовой электронике и микроконтроллерах, сделали приводы с регулированием скорости более практичными и значительно менее дорогими. Сегодня приводы с регулировкой скорости требуются не только в высокопрофессиональных и мощных промышленных применениях, таких как обрабатывающие машины или подъемные краны, но все больше и больше в бытовой технике, например, в стиральных машинах, компрессорах, небольших насосах, кондиционерах воздуха и т.п. Эти приводы, управляемые по развитым алгоритмам с помощью микроконтроллеров, имеют ряд преимуществ:

увеличение энергетической эффективности системы (регулирование скорости снижает потери мощности в двигателях)

усовершенствование функционирования (цифровое управление может добавить такие свойства, как интеллектуальные замкнутые контуры, изменение частотных свойств, диапазона контролируемых неисправностей и способность к взаимодействию с другими системами)

упрощение электромеханического преобразования энергии (регулируемые приводы позволяют устранить необходимость в трансмиссиях, коробках передач, редукторах) простота обновления программного обеспечения системы на базе микроконтроллеров с флэш-памятью могут быстро изменять при необходимости увеличивается. Основным условием их использования является сохранение общей стоимости системы в обоснованных границах. Для ряда систем, особенно в быту, общая стоимость должна быть эквивалентна стоимости нерегулируемого варианта.

1. Преимущества и недостатки системы ШИП – ДПТ

1.1 Импульсные преобразователи постоянного напряжения (общие сведения)

Изменение величины напряжения потребителя посредством импульсных преобразователей (ИП) называют импульсным регулированием.

С помощью импульсного преобразователя источник напряжения периодически подключается к нагрузке. В результате на выходе преобразователя формируются импульсы напряжения. Регулирование напряжения на нагрузке можно осуществить тремя способами:

изменением интервала проводимости ключа при постоянной частоте переключения (широтно-импульсный)

изменением частоты переключения при постоянном интервале проводимости ключа (частотно-импульсный)

изменением частоты переключения и интервала проводимости ключа (время-импульсный)

При этом регулируется относительное время проводимости ключа, что приводит к плавному изменению среднего значения напряжения на нагрузке (в нашем случае на якоре ДПТ)

1.2 Анализ существующих импульсных преобразователей

Схема ШИП с параллельной емкостной коммутацией изображена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1. ШИП с параллельной емкостной коммутацией

Недостатком ШИП с параллельной емкостной коммутацией является то, что в процессе переключения напряжение на нагрузке достигает удвоенных значений питающего напряжения. Также недостатком является сложность настройки резонансного контура с конденсатором ‘C’ и дросселем ‘Др’.

На рисунке 1.2 изображена схема ШИП с дополнительным коммутирующим тиристором и линейным дросселем в узле коммутации.

Недостатком схемы является связь контура коммутации с цепью нагрузки. Эта особенность затрудняет коммутацию в режимах малых нагрузок и делает невозможной работу устройства на холостом ходу.

На рисунке 1.3 изображена схема нереверсивного ИП с последовательным ключевым элементом.

Рисунок 1.3. Нереверсивный ШИП

Данная схема является наиболее приемлемой для нашей цели, так как она отличается малым количеством элементов, простотой конструкции, достаточно высоким быстродействием и надежностью.

Принцип действия:

Когда транзистор VT отперт от источника питания потребляется энергия. При запирании транзистора VT ток нагрузки за счет Э.Д.С. самоиндукции сохраняет свое прежнее направление, замыкаясь через обратный диод VD. В связи с тем что источник питания, как правило, обладает индуктивностью, для защиты транзистора от перенапряжений, возникающих при разрывах цепи питания, на входе ИП ставится фильтр нижних частот, выходным звеном которого является конденсатор Свх.

2. Функциональная схема лабораторного стенда

Функциональная схема уже существующего лабораторного стенда представлена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 Функциональная схема стенда

На функциональной схеме изображены основные элементы стенда и функциональные взаимодействия между ними.

Основным элементом стенда есть преобразователь частоты ACS 300. Через него питание подается на асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором М1 – АОЛ2-21-4. Стенд предусматривает возможность работы асинхронного режим динамического торможения. Также предусмотрена возможность контроля скорости асинхронного двигателя, токи и напряжения как АД так и ДПТ.

В силовой цепи АД расположены трехфазный датчик тока и трехфазный датчик напряжения, данные с которых подаются через блок связи на ЭОМ. Блок связи и ЭОМ образуют измерительно-диагностический комплекс (ИДК). На ИДК подаются сигналы и с других датчиков и контролирующих элементов

3. Разработка технической документации на лабораторный стенд системы ШИП – ДПТ

3.1 Общий вид лабораторного стенда

Внешний вид проектируемого стенда показан на рисунке 3.1

1. Ручка нагрузочного резистора

2. Кнопка SB2 “Стоп АД”

3. Кнопка SB1 “Пуск АД”

4. Автомат QF1 (подключение стенда к сети питания)

5. Функциональная схема ПЧ-АД

6. Амперметр А1 (контроль тока сети питания)

7. Амперметр А2 (контроль тока статора АД)

8. Преобразователь частоты ABB ACS 300

9. Амперметр А3 (контроль тока якоря ДПТ)

10. Вольтметр V1 (контроль напряжения статора АД)

11. Автомат QF2 (подключение нагрузочной машины)

12. Амперметр А1 (контроль тока ДПТ)

13. Функциональная схема ШД

14. Вольтметр V1 (контроль напряжения ДПТ)

15. Нагрузочный ДПТ

16. Шаговый двигатель

17. Амперметр А2 (контроль тока АД)

18. Частотомер PF1 (контроль частоты на КД)

19. Переключатель SB1 (реверс ДПТ)

20. Переключатель SB2 (реверс ШД)

21. Ручка переменного резистора R1 (регулирование частоты коммутации)

22. Автомат QF1 (подключение стенда к сети питания)

23. Переключатель SB3 (включение/выключение ШД)

24. Переключатель SB4 (выбор источника задания плавно/дискретно)

25. Ручка ЛАТРа ATV1 (смена напряжения ДПТ)

26. Переключатель SB5 (выбор режима работы ШД

3.2 Принципиальная схема стенда после доработки

Доработкой схемы будет включение в ее состав силового транзистора, системы управления на микроконтроллере (рисунок 3.3) питающейся от трансформатора ТР2 через блок питания (БП1) и драйвера управления транзистором (рисунок 3.4) питающегося через блок питания (БП1).

В доработанном стенде ДПТ может выполнять роль не только нагрузочной машины но и являться исследуемым объектом, поэтому для его питания от постоянного тока в схему включается выпрямитель.

Общий вид доработанной схемы представлен на рисунке 3.2

Тр1-силовой трансформатор

К1-контактор, включение режима ШИП-ДПТ

К2-контактор, включение режима динамического торможения