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

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ

ЗАВДАННЯ

Введение

1. Преимущества и недостатки системы ШИП – ДПТ

1.1 Импульсные преобразователи постоянного напряжения (общие сведения)

1.2 Анализ существующих импульсных преобразователей

2. Функциональная схема лабораторного стенда

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

3.1 Общий вид лабораторного стенда

3.2 Принципиальная схема стенда после доработки

3.3 Перечень функциональных возможностей лабораторного стенда

3.4 Система управления на базе микроконтроллера PIC 16F 877

4. Расчет схемы замещения

5. Статические характеристики системы ШИП – ДПТ

6. Выбор силовых элементов

6.1 Выбор силового трансформатора

6.2 Выбор силового транзистора

6.3 Выбор обратного диода

7. Расчет преобразователя

8. Расчет энергетических характеристик

9. Математическая модель системы ШИП – ДПТ

ВЫВОД


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

Ручка нагрузочного резистора

Кнопка SB2 “Стоп АД”

Кнопка SB1 “Пуск АД”

Автомат QF1 (подключение стенда к сети питания)

Функциональная схема ПЧ-АД

Амперметр А1 (контроль тока сети питания)

Амперметр А2 (контроль тока статора АД)

Преобразователь частоты ABB ACS 300

Амперметр А3 (контроль тока якоря ДПТ)

Вольтметр V1 (контроль напряжения статора АД)

Автомат QF2 (подключение нагрузочной машины)

Амперметр А1 (контроль тока ДПТ)

Функциональная схема ШД

Вольтметр V1 (контроль напряжения ДПТ)

Нагрузочный ДПТ

Шаговый двигатель

Амперметр А2 (контроль тока АД)

Частотомер PF1 (контроль частоты на КД)

Переключатель SB1 (реверс ДПТ)

Переключатель SB2 (реверс ШД)

Ручка переменного резистора R1 (регулирование частоты коммутации)

Автомат QF1 (подключение стенда к сети питания)

Переключатель SB3 (включение/выключение ШД)

Переключатель SB4 (выбор источника задания плавно/дискретно)

Ручка ЛАТРа ATV1 (смена напряжения ДПТ)

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

SB1 и SB2 кнопки включения соответствующего режима.

SB3-сброс режимов (СТОП)

Rдт-нагрузочный резистор для режима динамического торможения (вмонтирован в стенде)

Р1-реле защиты VT1.


3.3 Перечень функциональных возможностей лабораторного стенда


Существующие возможности:

А) Исследование системы ЧРП – АД только при линейной нагрузке на валу

Б) динамика системы ЧРП-АД

В) статический характер ЧРП-АД

Г) исследование режимов работы преобразователя при нелинейном характере нагрузки

Новые возможности:

А) реализация режимов плавного пуска ДПТ

Б) электропривод по системе ШИП-ДПТ

В) режим динамического торможения

Г) имитация различных видов нагрузки для системы ЧРП-АД


3.4 Система управления на базе микроконтроллера PIC 16F 877


Основой системы управления является однокристальный микроконтроллер PIC 16F877. Широкий набор периферийных устройств входящих в состав серии микроконтроллеров семейства PIC 16X позволяет строить современные системы управления с высокими показателями.

PIC 16FX – семейство дешевых, высокоэффективных, 8-разрядных КМОП микроконтроллеров со встроенным аналого-цифровым (analog-to-digital) преобразователем.

Среди микроконтроллеров PIC 16F877 занимает среднее положение. Все микроконтроллеры PIC 16FX используют RISC структуру процессорного ядра. Семейство микроконтроллеров PIC 16F877 имеет расширенные возможности ядра, стек глубиной 8 уровней и множество внутренних и внешних прерываний. Гарвардская архитектура с отдельными именами команд и данных позволяет одновременно передавать 16 разрядные команды и 8 разрядные данные. Двухкомандный конвейер позволяет выполнять все команды за один машинный цикл, кроме команд ветвления программы, которые выполняются за два цикла.

Уменьшенная система команд (всего 35 команд). Высокая эффективность достигается использованием новшеств архитектуры и большого набора дополнительных регистров.

Микроконтроллер PIC 16F877 по сравнению с другими 8 разрядными микроконтроллерами такого же класса позволяет уменьшить программу 2: 1 и увеличить быстродействие 4:

1.

устройство PIC 16F877 имеет 368 байт памяти данных. Кроме того, PIC имеет 13 контактов ввода/вывода (I/O), периферийные устройства: три таймера/счетчика, два модуля сравнения и шин, два последовательных порта и 8 разрядный параллельный порт.

двухпроводная шина (I2C). Универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик (USART) также известный как последовательный интерфейс связи (SCI), а также быстродействующий 8 разрядный A/D преобразователь идеально подходит для дешевых приложений, требующих аналоговый интерфейс.

Для того чтобы уменьшить количество внешних компонентов и таким образом уменьшить стоимость, повысить надежность системы и снизить потребление, микроконтроллер PIC 16F877 имеет дополнительные возможности. Имеются 4 режима генератора: RC генератор на одном контакте обеспечивает дешевое решение, LP генератор обеспечивает минимальное потребление, XT генератор – стандартное решение и HS генератор для высокочастотных приложений. Режим останова позволяет резко уменьшить потребление. Пробуждение из режима останова может осуществляться при помощи внешних и внутренних прерываний и сбросов.

Высоконадежный сторожевой таймер со своим RC генератором обеспечивает защиту от зацикливания программы. Малогабаритные корпуса микроконтроллеров задают семейство PIC 16FX совершенными для всех приложений без ограничений. Низкая цена, малая потребляемая мощность, высокая эффективность, устройство при использовании и гибкость I/O делает PIC универсальным даже в областях, где использование микроконтроллеров прежде не рассматривалось (например, функции таймера, последовательная связь, сбор и сравнение данных, функции ШИМ и приложения с компрессором).

Таблица 3.1 Основные электрические параметры

Диапазон рабочих температур -55 ч +125оС
Напряжение VDD относительно VSS -0.3 ч +7.5 В
Напряжение на MCLR 0 ч +14 В
Напряжение на RA4 0 ч +14 В
Напряжение на любом контакте (за исключением UDD, MCLR и RA4) -0.3 ч +7.5 В
Общая рассеиваемая мощность 10 Вт
Максимальный ток через VSS 300 mA
Максимальный ток через VDD 250 mA

Ограничение входного тока I1k

(U1<0 или U1>UDD)

± 20 mA

Ограничение выходного тока I0k

(U0<0 или U0>UDD)

± 20 mA
Максимальный выходной вытекающий ток по любому контакту I/O 25 mA
Максимальный выходной вытекающий суммарный ток портов А, В и Е 200 mA
Максимальный выходной втекающий суммарный ток портов А, В и Е 200 mA
Максимальный вытекающий суммарный ток портов C и D 200 mA
Максимальный выходной втекающий ток портов C и D 200 mA

Принципиальная схема системы управления представлена на рисунке 3.3 Для реализации функций управления ШИП используются следующие модули микроконтроллера:

A/D преобразователь для контроля выходного тока и напряжения, скорости двигателя постоянного тока

компаратор (накопитель) ШИМ (ССP) для управления выходным силовым ключом в силовой схеме

таймер 2 для быстрого программного регулирования

I/O порты ввода – вывода.

Микроконтроллеры PIC имеют четыре различных режима генератора. Для того чтобы выбрать один из этих четырех режимов необходимо соответственно запрограммировать два бита конфигурации (OSC1: OSC2)

LP низкочастотный кварцевый генератор;

XT среднечастотный кварцевый генератор;

HS высокочастотный кварцевый генератор;

RC резистивно-емкостной генератор.

С учетом того, что требуется точное тактирование модуля ШИМ PIC контроллера (для задания частоты и скважности) наиболее применимым вариантом является использование внешнего кварцевого генератора (режим HS). В режиме HS к выводам OSC1 и OSC2 подключают кварцевый генератор. Для PIC 16F877 используют кристалл с параллельным срезом. Применение других кристаллов может привести к получению частоты, не соответствующей спецификации кристалла. В режиме HS устройство работает от внешнего тактового сигнала со входа OSC1 (рисунок 4.3)

В качестве внешнего кварца выбираем резонатор ZQ1 20 Мгц. Значения внешних конденсаторов С1 и С2 выбираем из таблицы 1 согласно рекомендациям фирмы производителя “Microchip”


Таблица 3.2. Параметры конденсаторов

Режим Частота OSC1 OSC2
LP 32 кГц 33 пФ 33 пФ

200 кГц 15 пФ 15 пФ
XT 200 кГц 47-16 пФ 47-68 пФ

1 МГц 15 пФ 15 пФ

4 МГц 15 пФ 15 пФ
HS 4 МГц 15 пФ 15 пФ

8 МГц 15-33 пФ 15-33 пФ

20 МГц 15-33 пФ 15-33 пФ

Внешний сброс контроллера, по контакту MCLR, при помощи внешних компонентов предназначен для разрешения работы устройства когда эксплуатационные параметры станут в норме. Если это условие не выполняется, устройство должно быть задержано в сбросе, пока эксплуатационные режимы не установятся.

Согласно руководству применения микроконтроллеров PIC для этих целей используется внешняя RC цепочка на входе контакта MCLR. Значение RC цепочки должны находится в пределах R<40 кОм, C – 0.001ч1 мкФ (согласно руководству применения PIC контроллеров.

С учетом этого принимаем: R1 => МЛТ – 0.125 22 кОм ± 10%

C5 => 0.1 мкФ

Резистор R2 ограничивает входной ток, при начальном заряде конденсатора, контакта MCLR. Значение R2 принимаем: R2 => МЛТ – 0.125 680 Ом ± 10%

Задание установок коэффициентов регулирования осуществляется построечными резисторами R1 – R3, которые выполняют роль делителей напряжения. Снимаемое напряжения с переменных движков резисторов подается на аналоговые входы контроллера RA1 – RA3. Сигнал обратной связи по току Iос подключен на вход RA0. Неиспользуемые аналоговые входы АЦП RA4 – RA5 закорочены на корпус, с целью уменьшения энергопотребления и снижения уровня наводок помех от внешних цепей на АЦП контроллера.

Неиспользуемый порт RE запрограммирован на вход линии и подключены на общий корпус, для снижения общего энергопотребления микросхемой. Ввод информации пользователем осуществляется через клавиатуру, состоящую из 4 кнопок SB1 – SB4.

Выбор контактов RB4 - RB7 (к которым подключена клавиатура) обусловлена тем, что по входам RB4 – RB7 в PIC контроллере существует встроенная опция формирования прерывания при изменении уровня на данных линиях ввода. Входные линии подтянуты к высокому уровню через резисторы R12 – R15. Значения резисторов принимаем следующие: МЛТ 0.125 10кОм ±10% с учетом этого высокий уровень является не активным, что соответствует не нажатой ни одной клавиши. В случае нажатия какой-либо кнопки SB1 – SB4 входной уровень линий RB4 – RB7 изменится на низкий, что будет причиной возникновения прерывания подпрограммы обработки клавиатуры. Дребезг контактов клавиатуры аппаратно не осуществляется, и реализуется программным способом.

Для визуального отображения информации пользователю в состав системы управления входит светодиодная матрица индикации VD6 – VD9. С учетом того, что нагрузочная способность по току линий вывода PIC контроллера должна быть не более 20 mA, выбираем светодиоды АЛ 307, с током свечения 10 mA.

Ограничительные резисторы принимаем следующего значения: МЛТ 0.125

Сигнал ШИМ формируется на контактe RC2 и подается через ограничительный резистор R4 на силовой ключ преобразователя.

Питание микросхемы осуществляется от стабилизирующего источника “+5” В и подается на ножки VDD и общий вывод VSS. Конденсатор С3 выполняет роль фильтра высокочастотных помех, и находится в непосредственной близи от ножек питания микроконтроллера.

Рисунок 3.3 Система управления транзистором


3.5 Принципиальная электрическая схема драйвера управления


Рисунок 3.4 Драйвер управления

4. Расчет схемы замещения


Упрощенная эквивалентная схема замещения двигателя постоянного тока приведена на рисунке 4.1

Рисунок 4.1 Схема замещения двигателя


Определим номинальную скорость вращения якоря исходя из каталожного значения частоты вращения

; (4.1)

рад/с;

Активное сопротивление якорной обмотки:

; (4.2)

где для двигателей постоянного тока независимого возбуждения;

для двигателей постоянного тока смешанного возбуждения.

для двигателей постоянного тока последовательного возбуждения.

Принимаем

Индуктивность обмотки якоря определяется в соответствии с формулой Уманского:

; (4.3)

где k = 0.2 – 0.25 для компенсированных машин;

k = 0.5 – 0.6 для некомпенсированных машин.

Принимаем k = 0.25

Гн;

Момент инерции для машины постоянного тока составляет

кг м2(4.4)

;

Номинальный коэффициент потока

; (4.5)

;


Таблица 4.1 Параметры двигателя

Параметры двигателя
Тип двигателя ДПУ 240 1100 3 Д4109
Номинальная мощность

кВт
Номинальное напряжение Uн = 110 В
Номинальный ток IН = 12.5 А
Номинальный момент MН = 3.5 н м
Номинальная частота вращения якоря nн = 3000 об/мин
Активное сопротивление якорной обмотки

Ом
Индуктивность обмотки якоря

Гн
Момент инерции


5. Статические характеристики системы ШИП – ДПТ


В проектируемом лабораторном стенде напряжение подаваемое на якорь двигателя подается импульсным методом, когда двигатель периодически подключается к источнику питания и отключается от него. При широтно-импульсном регулировании период коммутации “Tk” остается постоянным, а изменяется время “t0” замкнутого состояния ключа скважность

Среднее значение напряжения на якоре при ШИМ равно:

; (5.1)

Уравнение механической характеристики двигателя для средних значений угловой скорости и момента имеет вид:

; (5.2)

Механическая характеристика будет представлять собой семейство характеристик при изменяющемся значении скважности . Зависимости при разных значениях скважности сведены в таблицах.


Таблица 5.1 Зависимость при

0 50 100 150 200 250 314
М 13.5 11.84 10.22 8.6 6.99 5.32 3.4

Таблица 5.3 Зависимость при

0 50 100 130 180 220 250
М 8.07 6.45 4.84 3.84 2.25 0.96 0

Таблица 5.4 Зависимость при

0 40 70 100 120 140 166
М 5.38 4.1 3.11 2.15 1.5 0.86 0

Таблица 5.5 Зависимость при