Файл: Контрольные вопросы для самопроверки. Работа подготовлена на кафедре Электропривод и автоматизация промышленных установок Улгту.pdf

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Компьютерные, сетевые и информационные технологии
Практикум для студентов направления
13.04.02 Электроэнергетика и электротехника профиля Электропривод и автоматика Составитель А. А. Горбунов Ульяновск
УлГТУ
2021

УДК 004.41/.42:62-83(076.5)
ББК 32.973-018 + 31.291 я
К 63 Рецензент кандидат технических наук, завкафедрой Электропривод и автоматизация промышленных установок УлГТУ
Доманов В. И. Рекомендовано научно-методической комиссией энергетического факультета в качестве практикума К Компьютерные, сетевые и информационные технологии : практикум / сост. А. А. Горбунов. – Ульяновск : УлГТУ, 2021. − 54 с. Практикум составлен в соответствии с рабочей программой дисциплины Компьютерные, сетевые и информационные технологии для студентов направления Электроэнергетика и электротехника профиля Электропривод и автоматика всех форм обучения и содержит необходимые теоретические сведения, задания и рекомендации для выполнения лабораторных работ поданному курсу, а также контрольные вопросы для самопроверки. Работа подготовлена на кафедре Электропривод и автоматизация промышленных установок УлГТУ.
УДК 004.41/.42:62-83(076.5)
ББК 32.973-018 + 31.291 я
© Горбунов А. А, составление, 2021
© Оформление. УлГТУ, 2021

3 СОДЕРЖАНИЕ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 Компьютерное моделирование и исследование системы управления асинхронным электроприводом в режиме компенсации ...........................................................................4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 Разработка и отладка управляющей программы в CoDeSys с визуализацией технологического процесса ...........................................27 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..................................................53

4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 Компьютерное моделирование и исследование системы управления асинхронным электроприводом в режиме компенсации Цель работы
1. Освоение методики разработки компьютерной модели системы скалярного управления асинхронным электроприводом в режиме компенсации.
2. Исследование статических и динамических режимов работы электропривода.
3. Получение практических навыков в сфере компьютерных вычислений и моделирования.
1. Теоретическая часть
1.1. Общие сведения Скалярным регулированием (или U/f регулированием) скорости электропривода с асинхронным двигателем называют такой способ управления, при котором изменение скорости достигается путем воздействия на частоту статорного напряжения при одновременном изменении модуля этого напряжения. При U/f регулировании напряжение и ток рассматриваются как скалярные величины, то есть используются модули этих величин. Данный способ регулирования базируется на Т-образной схеме замещения асинхронного двигателя рис. 1.1) и на выражении для электромагнитного момента (1.8) [7]. Рис. 1.1. Т-образная схема замещения асинхронного двигателя

5 На схеме замещения ив математическом описании асинхронного двигателя приняты следующие обозначения (параметры ротора приведены к статору
1
U
,
1
I
,
2
I
– векторы напряжения статора, тока статора и тока ротора
1
E
,
2
E
– векторы ЭДС статора и ЭДС ротора
a
E
– вектор напряжения за активным сопротивлением статора,
1 1
1
R
I
U
E
a






;
1
R
,
2
R
– активные сопротивления фазы статора и фазы ротора

1
X
,

2
X
– индуктивные сопротивления рассеяния фазы статора и фазы ротора
m
X
– индуктивное сопротивление намагничивающего контура
S
– скольжение
0

– относительная угловая частота напряжения статора р – относительная угловая частота роторной ЭДС. Относительные угловые частоты определяются по формулам
Эном
Э
0 0
0




,
(1.1)
Эном
р
р
0




, (1.2)
Эном
П
p
0





. (1.3) В выражениях приняты следующие обозначения Э – угловая частота напряжения статора
ω
0Эном
– номинальная угловая частота напряжения статора Р – угловая частота роторной ЭДС
ω
– угловая

6 частота вращения вала ротора в физическом пространстве П – угловая частота вращения вала ротора в электрическом пространстве П – число пар полюсов. Для определения абсолютных значений угловых частот и скольжения используются выражения Э 0
, (1.4)
ном
Эном
f





2 0
, (1.5)






П
Э
р
p
0
, (1.6)
0 0
0 0







р
Э
Р
Э
П
Э
p
s





. (1.7) Электромагнитный момент асинхронного двигателя определяется выражением

 

2 2
1 1
0 2
2 2
1 0
2 1
2 2
0 2
1 3
X
R
X
R
X
X
R
R
R
X
U
p
M
р
р
m
р
Эном
П
Э

























, (1.8) где
X
1
,
X
2
– полные индуктивные сопротивления фазы статора и ротора соответственно
σ
– коэффициент рассеяния машины.

1 1
X
X
X
m


,

2 2
X
X
X
m


, (1.9)
2 1
2 1
X
X
X
m




. (1.10) Пусковое значение электромагнитного момента асинхронного двигателя определяется выражением




2 2
1 1
2 2
0 2
2 1
2 0
2 1
2 2
0 0
2 1
3
X
R
X
R
X
X
R
R
R
X
U
p
M
m
Эном
П
П





















. (1.11)

7 Критическое значение относительной частоты роторной ЭДС вычисляется по формуле
2 1
0 2
2 1
2 1
0 2
1 2
2
)
(
)
(
X
R
X
R
X
R
КР
Р











. (1.12) Для определения критического значения электромагнитного момента асинхронного двигателя необходимо в формулу (1.8) вместо Р подставить
КР
Р

, определенную по формуле (1.12). Номинальное значение механического момента Н навалу двигателя определяется через номинальные мощность и угловую частоту вращения вала
Н
Н
Н
P
M


. (1.13) Номинальное значение электромагнитного момента двигателя
M
ЭН
будет больше, чем Н, на величину момента потерь вращения
M
ТР
:
ТР
Н
ЭН
M
M
M


. (1.14) При невысокой точности и ограниченном диапазоне регулирования скорости асинхронного двигателя (ДА) наиболее целесообразным является его частотное управление в разомкнутой системе электропривода. В таких системах частота
f
и действующее значение напряжения питания двигателя формируются пропорционально напряжению управления в преобразователе частоты на основе автономного инвертора напряжения (рис. 1.2) [9]. Здесь и далее все управляющие сигналы записаны со знаком
*

8 Рис. 1.2. Функциональная схема разомкнутой системы скалярного управления асинхронным электроприводом
Для обеспечения постоянства перегрузочной способности двигателя в функциональном преобразователе ФП предусматривается такое соотношение между сигналами задания частоты
u
f
*
и напряжения
u
U
*
на входе ПЧ, при котором обеспечивается компенсация падения напряжения на активном сопротивлении обмоток статора. Теоретически это соотношение характеризуется нелинейной функцией, когда сигнал
u
U
*
снижается в меньшей степени, чем сигнал
u
f
*
. Для большинства серийных преобразователей частоты эта функция линеаризу- ется выбором в статической характеристике функционального преобразователя двух базовых координат
U
10
при
f
= 0; и
U
1min
при
f
= рис. 1.3) [9]. Значение
U
10
выбирается с учетом уменьшения теплоотвода заторможенного двигателя (в режиме динамического торможения) из условий ограничения тока статора на уровне
(0.7 – НОМ, где НОМ представляет собой действующее номинальное значение тока в фазе статора. Следовательно,
U
10
= (0.7 – НОМ [9]. Рис. 1.3. Статическая характеристика функционального преобразователя Значения
U
1min
и
f
min
определяют напряжение и частоту, при которых еще сохраняется постоянство соотношений

9
НОМ
НОМ
f
U
f
U
1

. Для асинхронного двигателя общего назначения при диапазоне регулирования скорости в разомкнутой системе частотного регулирования до 8:1 значение минимальной частоты выбирается в пределах
(0.3 – НОМ [9]. В большинстве случаев желаемым законом регулирования считается такой, при котором во всем диапазоне регулирования скорости поддерживается постоянство перегрузочной способности двигателя. Для асинхронного электропривода это требование сводится к необходимости поддержания постоянства критического момента во всем диапазоне регулирования скорости путем изменения частоты питающего напряжения [7]. Часто для реализации такого закона регулирования необходимо обеспечить соотношение
const
f
U

или, что тоже самое,
const
U

0 Однако это справедливо лишь при пренебрежении активным сопротивлением обмотки статора. Такое допущение оказывается приемлемым лишь для двигателей большой мощности. Следовательно, в общем случае закон частотного регулирования, при котором напряжение меняется пропорционально частоте, не обеспечивает независимости критического момента от частоты
[7]. Известно, что для поддержания постоянства перегрузочной способности асинхронного двигателя при скалярном регулировании необходимо выполнять закон частотного регулирования в виде
const
E
a

0

. (1.15) Тогда электромагнитный момент, момент критический и относительное значение критической частоты роторной ЭДС будут определяться выражениями




2 0
2 2
2 2
2 0
2 1
3


















a
р
р
Эном
П
Э
E
X
R
R
k
p
M
, (1.16)
2 0
2 0
2 1
1 2
3
















a
Эном
П
КР
Э
E
X
k
p
M
, (1.17)

10 2
2
X
R
КР
Р





. (1.18) В приведенных формулах используется безразмерный коэффициент статора
k
1
= X
m
/ Для обеспечения закона частотного регулирования
const
E
a

0

(или, что тоже самое
const
f
E
a

) напряжение на статорных обмотках нужно увеличивать по сравнению сна величину падения напряжения в статорной обмотке
I
1
∙R
1
оттока статора. Рассмотрим функциональную схему системы скалярного регулирования, реализующей заданный закон (рис. 1.4). Рис. 1.4. Функциональная схема системы скалярного управления асинхронным электроприводом режима IR-компенсации
Сигнал задания напряжения на статоре
u
U1
*
формируется как сумма заданного значения напряжения за активным сопротивлением статора
E
a
*
и величины
I
1
∙R
1
*
:
*
1 1
*
*
1
R
I
E
u
a
U



. (1.19) Слагаемое
I
1
∙R
1
*
пропорционально падению напряжения на активном сопротивлении обмотки статора и может быть определено по измеренному и выпрямленному току статора при известном значении
R
1
или в результате векторных преобразований (как на рис. 1.4) [7, 9].

11 Такой способ реализации закона регулирования получил название компенсации. При помощи блока
E
a
= f (f )
можно формировать различные зависимости
E
a
от частоты [7].
1.2. Исследование статических режимов электропривода в программе Maxima Рассмотрим методику исследования статических режимов разомкнутой системы управления асинхронным электроприводом при законе частотного регулирования
U / f = в программе Maxima сайт 2].
1.
Получаем у преподавателя индивидуальное задание, которое содержит параметры электропривода. В качестве примера рассмотрим один из вариантов. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором номинальная мощность Н = 1.1 кВт номинальные фазные напряжение и ток статора (действующие значения) НОМ = 220 В НОМА номинальная частота напряжения питания НОМ = 50 Гц число пар полюсов П = 2; номинальная скорость идеального холостого хода
n
0
= 1500 об/мин; номинальная скорость вращения вала НОМ 1395 об/мин; суммарный приведенный момент инерции двигателя и исполнительного органа
J
= 0.026 кг∙м
2
;
R
1
= 9.5 Ом
R
2
= 5.64 Ом
X
m
= 140.4 Ом
X
1σ
= 11.6 Ом
X
2σ
= 9.1 Ом
M
ТР
= 0.2 Нм.
2.
В формулу (1.8) вместо р подставляем выражение и записываем получившееся уравнение в тетрадь. В результате такой замены получится функция Э, которая определяет механическую характеристику двигателя.
3.
В программе wxMaxima создаем семейство механических характеристик асинхронного двигателя при законе частотного управления для
1 0


,
5 0
0


,
25 0
0


,
1 0
0



12 По графикам определяем относительную угловую частоту напряжения статора
0

; критическое значение относительной частоты вращения вала КР критическое значение относительной частоты роторной ЭДС
КР
Р

; критическое значение электромагнитного момента
КР
Э
M
; пусковое значение электромагнитного момента П перегрузочную способность двигателя
ЭН
КР
Э
M
M
. Результаты сводим в таблицу 1.1.
Таблица 1.1. Результаты исследования статических режимов
0

КР

КР
Р

КР
Э
M
П
M
ЭН
КР
Э
M
M
Для решения поставленной задачи необходимо выполнить следующие действия.
1. В программе wxMaxima формируем функцию Э. Определяем все константы, входящие в выражение ЭВ данном случае значения
1
U
и
0

также будут рассматриваться как постоянные величины. Для первой механической характеристики необходимо задать
1 0


и
220 1

U
. Пример представлен на рис. 1.5.