Файл: Дипломного проекта Моделирование режимов работы частотно регулируемого электропривода в среде.pdf

Министерство науки и высшего образования РФ
ФГБОУ ВО Рыбинский государственный авиационный технический университет имени ПА. Соловьева» Факультет радиотехники электроники информатики Кафедра электротехники и промышленной электроники ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА Моделирование режимов работы частотно-регулируемого электропривода в среде Simulink На соискание квалификации бакалавр По направлению 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника Профиль Электрические и электронные аппараты Пояснительная записка Соискатель, студент группы ЭЛБ-16________________________Козлов Н.Д. Руководитель, доцент каф. ЭПЭ, к.т.н.____________________Семёнова Ю.В.
Нормоконтролер, доцент каф. ЭПЭ, к.т.н._________________Лобацевич КЛ. К защите допустить Завкафедрой, д. т. н, проф.________________________________Юдин А. В. Рыбинск 2020

2 Министерство науки и высшего образования РФ
ФГБОУ ВО Рыбинский государственный авиационный технический университет имени ПА. Соловьева» Факультет радиотехники электроники информатики Кафедра электротехники и промышленной электроники УТВЕРЖДАЮ
Завкафедрой ЭПЭ д. т. ц, проф. Юдин А. В.
"___" __________2020 г. Задание на ВКР Студенту группы ЭЛБ-16 Козлову Н.Д. Факультет РЭИ, направление подготовки 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника, профиль Электрические и электронные аппараты.
1. Тема дипломного проекта Моделирование режимов работы частотно- регулируемого электропривода в среде Simulink». Утверждена приказом по академии от.
2. Срок сдачи студентом законченного проекта.
3. Исходные данные к проекту лабораторный стенд Интеграл.
4. Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов введение устройство и принцип работы лабораторного стенда Интеграл математическое описание элементов лабораторного стенда Интеграл моделирование режимов работы частотно-регулируемого электропривода в пакете программ MatLab; пуск асинхронного двигателя на лабораторном стенде Интеграл техника безопасности заключение.
5. Перечень графического материала презентация.
Нормоконтроль, доцент каф. ЭПЭ, к.т.н. ____________________Лобацевич КЛ. Дата выдачи задания "____"_________2020 г. Руководитель, доцент каф. ЭПЭ, к.т.н._______________________Семёнова Ю.В. Студент группы ЭЛБ-16_____________________________________Козлов Н.Д.

3 Министерство науки и высшего образования РФ
ФГБОУ ВО Рыбинский государственный авиационный технический университет имени ПА. Соловьёва» Факультет радиоэлектроники и информатики Кафедра электротехники и промышленной электроники УТВЕРЖДАЮ Завкафедрой ЭПЭ А. В. Юдин
«_____» __________ 2020 г. КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН работы над дипломным проектом студента группы ЭЛБ-16
Козлова Никиты Дмитриевича
Тема дипломного проекта Моделирование режимов работы частотно- регулируемого электропривода в среде Simulink»
№ п.п. Наименование этапов работы над ВКР Срок выполнения Примечание
1 Обзор литературы по теме работы, написание теоретической части
20.04.2020 – 27.04.2020 Этапы работы и сроки выполнения могут меняться в процессе выполнения
ВКР
2 Математическое описание элементов лабораторного стенда Интеграл
28.04.2020 – 12.05.2020 3 Моделирование режимов работы частотно- регулируемого электропривода в пакете программ MatLab
13.05.2020 – 22.05.2020 4 Техника безопасности
23.05.2020 – 29.05.2020 5 Оформление пояснительной записки
30.05.2020 – 05.06.2020 Студент _________ Руководитель проекта _________ Защита дипломного проекта на заседании ГЭК
«___» _________ 2020 г.

4 Оглавление Введение ............................................................................................................... 5 1 Устройство и принцип работы лабораторного стенда Интеграл ............ 7 1.1 Управление лабораторным стендом Интеграл .................................... 10 1.1.1 Задание параметров с панели управления ............................................. 10 1.1.2 Внешнее аналоговое управление преобразователем частоты ............. 13 1.1.3 Управление преобразователем частоты с персонального компьютера ..................................................................................................................................... 15 1.1.4 Управление с сенсорной панели оператора .......................................... 18 2 Математическое описание объектов лабораторного стенда Интеграл 20 2.1 Математическое описание асинхронного двигателя ............................... 20 2.2 Математическое описание элементов силовой части преобразователь частоты – асинхронный двигатель (ПЧ – АД) ....................................................... 29 3 Моделирование режимов работы частотно-регулируемого электропривода в пакете программ MatLab ....................................................................................... 35 3.1 Моделирование прямого пуска асинхронного двигателя ELDIN
A100L4FБУЗ ............................................................................................................... 36 3.2 Моделирование пуска асинхронного частотно-регулируемого электропривода .......................................................................................................... 45 4 Пуск асинхронного двигателя на лабораторном стенде Интеграл ....... 51 5 Техника безопасности при работе с лабораторным стендом Интеграл Заключение ........................................................................................................ Список использованной литературы .............................................................. 56

5 Введение Технологические требования к качеству производственных процессов, необходимость внедрения современных технологий обуславливают устойчивую перспективу интегрирования в различные отрасли промышленного и сельскохозяйственного производства регулируемых электроприводов. Широкое применение управляемых электроприводов, в частности асинхронных двигателей, привело к тому, что современный электропривод является не только энергетически силовой основой, обеспечивающей механизмы производства необходимой механической энергии, но и средством управления технологическими процессами, поскольку задачи по внедрению качественных производственных процессов в настоящее время в большинстве случаев возлагаются на системы управления регулируемыми приводами в сочетании с системами автоматизации процессов. В связи с ростом ценна энергоносители, в частности на электроэнергию, и ограниченными возможностями по увеличению мощности электростанций, проблема энергосбережения, в том числе сокращения потребления электроэнергии, становится все более актуальной. Но возможность анализа целесообразности применения электропривода на практике не всегда является доступной. Пакет программ MatLab позволяет произвести оценку работы электропривода, построить необходимые зависимости токов статора и ротора, разгонные характеристики, по которым в дальнейшем можно судить об энегроэффективности системы электропривода. Данная работа посвящена вопросам моделирования режимов работы частотно-регулируемого электропривода, а именно асинхронного двигателя при прямом пуске и припуске с использованием системы управления преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения. В качестве рассматриваемого объекта был взят лабораторный стенд Интеграл, построенный на компонентах Mitsubishi и имеющий в своем составе асинхронный двигатель ELDIN А100L4FБУЗ. Дано подробное описание

6 элементов пакета программ MatLab, которые позволяют моделировать сложные электромеханические системы, таких как приложения
Simulink и
SimPowerSystem. Рассчитаны параметры выбранного асинхронного двигателя, необходимые для моделирования. Выполнено две модели – прямой пуск асинхронного двигателя и пуск двигателя с использованием преобразователя частоты. Получены результаты в виде графиков зависимостей исследуемых величин от времени моделирования исследованы ток статора и ротора, скорость вращения двигателя, его электромагнитный момент. Произведено сравнение результатов с реальными данными. Сведения, представленные в данной работе, могут быть использованы для анализа рациональности применения преобразователей частот с целью уменьшения энергопотребления и регулирования скорости асинхронного двигателя, применяемого в лифтах, вентиляционных установках, на насосных агрегатах ив других промышленных отраслях.

7 1 Устройство и принцип работы лабораторного стенда Интеграл Стенд построен на компонентах Mitsubishi. В комплект входит преобразователь частоты Mitsubshi Electric FR-A741, трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором фирмы ELDIN модель A100L4FБУ3 и персональный компьютер. На рисунке 1.1 приведена структурная схема лабораторной установки. Рисунок 1.1 – Структурная схема лабораторного стенда Лабораторный стенд предназначен для изучения принципа работы и структуры частотно-регулируемого электропривода, освоения методов управления и получение навыков работы с преобразователем частоты. Персональный компьютер используется для внешнего управления, настройки, мониторинга и снятия показателей (скорость вращения ротора, частота и амплитуда выходного напряжения, величина тока в статорной обмотке двигателя и т.д.) преобразователя частоты поили по интерфейсу RS-485. Преобразователь частоты подключается к трёхфазной сети переменного тока напряжением 380 В через автоматический выключатель, рассчитанный на ток, потребляемый двигателем и самим преобразователем. На верхней части преобразователя частоты расположены вентиляторы, предназначенные для

8 охлаждения элементов, расположенных внутри корпуса. На рисунке 1.2 приведен внешний вид преобразователя частоты Mitsubishi FR-A741. Рисунок 1.2 – Внешний вид преобразователя частоты Mitsubishi FR-A741 Преобразователь частоты Mitsubishi FR-A741 является наиболее функциональным в серии FR-A700. В нём присутствует функция рекуперации, что позволяет использовать его в лифтах, подъемных кранах и системах с мощными двигателями, при торможении которых возникает энергия, поступающая обратно в сеть. Имеет встроенный ПИД-регулятор. Его назначение заключается в поддержании заданной скорости вращения ротора двигателя в зависимости от внешних сигналов, поступающих сдатчиков обратной связи датчик давления, датчик температуры, что позволяет его использовать в насосных станциях и гидравлических системах. На лицевой панели расположен пульт FR-DU07, с помощью которого возможно управление преобразователем частоты, разъём USB порта, предназначенного для связи с компьютером.
На роторе двигателя расположен энкодер. Он предназначен для измерения скорости вращения и координат текущего положения ротора. Рассмотрим основные характеристики преобразователя частоты
‒ модель Mitsubishi FR-A741;
‒ мощность 5,5 кВт
‒ ток, ном 12 А

9
‒ напряжение питания 380 В
‒ степень защиты IP 20;
‒ съемный пульт есть
‒ ПИД-регулятор: есть, расширенное ПИД регулирование
‒ аналоговый вход (В, мА есть
‒ подключение энкодера: опция
‒ защита двигателя есть
‒ интерфейс RS-485: есть
‒ интерфейс RS-232: нет
‒ протокол Profibus: Modbus;
‒ исполнение IP 20;
‒ длина 250 мм
‒ глубина 470 мм
‒ высота 270 мм
‒ вес 25 кг
‒ диапазон выходной частоты 0,5 – 400 Гц (диапазон напряжения питания В. Параметры асинхронного двигателя ELDIN A100L4FБУ3:
‒ мощность 4 кВт
‒ номинальная скорость вращения 1425 об/мин;
‒ коэффициент мощности (cos φ): 0,83
‒ номинальный ток при 380 В 8,6 А
‒ номинальный момент 27 Нм
‒ номинальная частота питающей сети 50 Гц. Вывод данный лабораторный стенд позволяет изучить принцип работы и структуру частотно-регулируемого электропривода, освоить методы управления и получения навыков работы с преобразователем частоты, а также с программным обеспечением, предназначенным для упрощения и наглядности работы стенда.

10 1.1 Управление лабораторным стендом Интеграл Существует несколько способов управления преобразователем частоты
‒ задание параметров с помощью панели управления частотного преобразователя
‒ внешнее аналоговое управление преобразователем частоты
‒ задание параметров через персональный компьютер
‒ использование сенсорной панели оператора. Самым первым способом следует рассмотреть задание параметров с помощью панели управления частотного преобразователя
1.1.1 Задание параметров с панели управления На корпусе преобразователя частоты Mitsubishi расположена панель управления, которая приведена на рисунке 1.3. Рисунок 1.3 – Панель управления преобразователем частоты
1 – Дисплей индикации параметров 2 – ручка цифрового набора (энкодер); 3 – светодиоды индикации используемой величины 4 – индикаторы способа управления, режима контроллера (P. RUN) и управления (MON), направления вращения 5 – блок клавиш управления преобразователем частоты. На дисплее отображаются рабочие величины, параметры, номера, ошибки. Светодиоды индикации используемой величины показывают какая единица измерения используется (частота, ток, напряжение. Ручка цифрового набора

11 используется для задания параметров. Блок индикации показывает режимы управления (PU – при помощи панели управления EXT – внешнее управление
NET – управление посети, направление вращения двигателя (REV – левое вращение FWD – правое.
При помощи блока клавиши ручки цифрового набора производится управление и настройка преобразователя частоты. Назначение клавиш представлено в таблице 1.1. Таблица 1.1 – Назначение кнопок управления Кнопка Назначение и описание
FWD Запуск правого вращения
REV Запуск левого вращения
SET Запись настроек. Установка частоты и параметров. Вовремя работы преобразователя нажатием на эту клавишу изменяется индикация на дисплее (ток, напряжение, частота)
MODE Переключение режима настройки
RESET (STOP) Остановка двигателя, сброс защитных функций
PU (EXT) Выбор режима управления внешнее управление
(EXT) или при помощи панели управления (PU) Для активации работы панели управления необходимо нажать клавишу
PU(EXT). Загорится индикатор PU на панели управления. В таком режиме частота вращения задается при помощи ручки цифрового набора на панели управления. После установки частоты необходимо нажать клавишу SET для запоминания параметра. Затем, для вращения в правую сторону нажимается

12 кнопка FWD, для вращения в левую сторону – REV. Для остановки двигателя необходимо нажать клавишу RESET (STOP). Для включения толчкового (тестового) режима работы электропривода нажимать клавишу PU(EXT) до появления надписи JOG на дисплее панели управления. После появления надписи нажать клавишу FWD или REV для пуска вращения двигателя. При однократном нажатии клавиши MODE осуществляется переход в режим настройки преобразователя частоты. В режиме настройки изменяются параметры электронной защиты, режим управления преобразователем частоты, настройки связи, ограничения параметров работы, время разгона/торможения, выбор клемм, индикация и т.д. В учебном процессе вход в данный режим нежелателен. При вращении ручки цифровой настройки будет изменяться текущий параметр. Вход в параметр осуществляется нажатие клавиши SET. Вращением ручки цифрового регулятора задается нужное значение и нажимается клавиша SET. После этого параметр сохраняется в памяти микроконтроллера. Вовремя работы преобразователя частоты можно просматривать один из трёх выходных параметров выходной ток, выходное напряжение и его частоту. На рисунке 1.4 приведён фрагмент инструкции по переключению между режимами индикации частоты, напряжения, тока. Рисунок 1.4 – Выбор режима индикации выходного параметра

13 Вывод панель управления, расположенная на лицевой стороне преобразователя частоты, позволяет управлять работой преобразователя без применения дополнительных устройства также отлеживать такие выходные параметры, как выходной ток, выходное напряжение и его частоту. Следующий способ, который мы рассмотрим, будет внешнее аналоговое управление преобразователем частоты.
1.1.2 Внешнее аналоговое управление преобразователем частоты Управление преобразователем частоты можно осуществлять при помощи внешних сигналов управления, поступающих на управляющие входные клеммы преобразователя частоты. Для перевода преобразователя частоты в режим внешнего управления необходимо нажать клавишу PU(EXT) до момента, пока не загорится индикатор EXT на панели управления преобразователем частоты. Блок внешнего управления приведён на рисунке 1.5. Рисунок 1.5 – Блок внешнего управления преобразователем частоты
Назначение и описание клавиш на блоке внешнего управления преобразователем частоты приведено в таблице 1.2.

14
Потенциометр R1 предназначен для бесступенчатого регулирования и компенсации частоты вращения ротора асинхронного двигателя в режиме внешнего управления.
Индикатор FU гаснет в том случае, если частота вращения ротора достигла установленного значения. Индикатор RUN загорается, если выходная частота преобразователя превышает стартовую частоту (те. двигатель вращается. Таблица 1.2 – Назначение клавиш на блоке внешнего управления Клавиша Назначение и описание
STF Пуск правого вращения (почасовой стрелке)
STR Пуск левого вращения (против часовой стрелки)
RH Высокая скорость
RM Средняя скорость
RL Низкая скорость
MRS Блокировка регулятора
RES Сброс
RT Второй набор параметров
STOP
Самоудержание пускового сигнала
JOG Толчковый режим
При включении клавиши электродвигатель начинает вращаться в соответствующем направлении. При отключении этих клавиш двигатель останавливается. При одновременном включении этих клавиш двигатель полностью останавливается. При включении клавиши MRS происходит отключение выходов преобразователя частоты и двигатель останавливается по инерции. Включение клавиши