На выполнение выпускной квалификационной работы

З А Д А Н И Е

На выполнение выпускной квалификационной работы

обучающемуся

Прокопьева Полина Николаевна

1. Тема работы:
«Цифровая система управления электроприводом механизма передвижения тележки
крана»
утвержденная приказом ректора от		20 апреля 2021 г.		№ 30 7-3

 

2. Исходные данные к работе:

- техническое задание на разработку силового преобразователя;

- технические требования к системе автоматического управления;

- технические данные для разработки микропроцессорного блока;

 

3. Содержание работы (перечень вопросов, подлежащих разработке):

- описание технологической установки;
- составление технического задания;
- расчет трехфазного мостового несимметричного силового преобразователя;
- синтез системы автоматического управления;
- разработка микропроцессорного блока;
- разработка алгоритма визуального отображения напряжения в десятичном коде;
4. Графический материал:
- Силовой преобразователь. Схема электрическая принципиальная.
- Система автоматического управления. Иллюстрационный лист.
- Блок микропроцессорный. Схема электрическая принципиальная.
- Блок-схема алгоритма. Функциональная схема управления.
	Руководитель __________________________                           (подпись)	А.А.Анисимов (Ф.И.О.)
	Обучающийся __________________________                               (подпись)	П.Н.Прокопьева (Ф.И.О.)

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ В.И.ЛЕНИНА»

Факультет электромеханический

Кафедра электроники и микропроцессорных систем

Направление подготовки 11.03.04:06 «Электроника и наноэлектроника»

Направленность (профиль) образовательной программы «Промышленная электроника»

 

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН

подготовки выпускной квалификационной работы

 

№ п/п	Наименование этапов работы	Срок выполнения
		начало	окончание
1.	Сбор информации о технологическом объекте	25.05.2021	27.05.2021
2.	Оформление пояснительной записки и графической части по разделу «Силовая электроника»	28.05.2021	29.05.2021
3.	Оформление пояснительной записки и графической части по разделу «ТАУ»	31.05.2021	01.05.2021
4.	Оформление пояснительной записки и графической части по разделу «Аппаратное и программное обеспечение микропроцессорных систем»	03.05.2021	04.06.2021
5.	Прохождение процедуры нормоконтроля и допуска к защите. Подготовка к процедуре защиты.	17.06.2021	04.07.2021

Руководитель   ____________________________                               (подпись)	______________________________ (Ф.И.О.)
Обучающийся  ____________________________                               (подпись)	______________________________ (Ф.И.О.)

 

 

УДК 681.532.52

       Пояснительная записка содержит 91 страницу, 42 рисунка, 8 таблиц, список используемых источников из 27 наименований, 7 приложений.

 

       СИЛОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ЭЛЕКТРОПРИВОД, РЕГУЛЯТОР, МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОЕ УСТРОЙСТВО.

Выпускная квалификационная работа посвящена разработке микроконтроллерного устройства для управления электроприводом механизма передвижения тележки крана. В пояснительной записке приведено описание принципиальной схемы силового преобразователя, функциональной и принципиальной схем электромеханической системы автоматического управления и информационно-управляющего микроконтроллерного устройства, блок-схема и листинг программы, осуществляющей подсчет и визуальное отображение в двоичном коде периода T импульсов, поступающих с внешнего генератора. Также описывается организационная структура предприятия.

 

ANNOTATION

       The graduation paper contains 91 pages, 62 figures, 20 tables, 40 sources and 7 annexes.

 

       POWER CONVERT, ELECTRIC DRIVER, REGULATOR,
MICROCONTROLLER DEVICE.

 

       The final qualifying work is devoted to the development of a microcontroller device for controlling the electric drive mechanism of the crane truck. The explanatory note describes the circuit diagram of the power converter, the functional and circuit diagrams of the electromechanical automatic control system and the information and control microcontroller device, a block diagram and a listing of the program that performs the calculation and visual display in binary code of the period T of pulses from an external generator. The organization structure of the enterprise is also discussed.

 

С О Д Е Р Ж А Н И Е

ВВЕДЕНИЕ.. 9

1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ.. 10

Исходные данные объекта управления.. 14

2.2 Технические требования к системе автоматического управления.. 15

2.3 Технические требования к микропроцессорной системе управления.. 15

3 РАСЧЕТ СИЛОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.. 16

Параметры цепи нагрузки. 17

3.1.4 Схема преобразования. 17

Фазовый вентиль. 26

Выбор типа охладителя. 30

Коэффициент мощности. 42

Блок АЦП.. 73

Подключение индикации. 77

Внешние прерывания. 80

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

САУ МКУ	Система автоматического управления Микрокотнроллерное устройство
ЭП	Электропривод
СП	Силовой преобразователь
ЭМП	Электромеханический преобразователь
МП	Механический преобразователь
ИО ЭД РО ИН ИТ ИМ ИС АЦП КПД СИФУ ОУ ПП РС АФЧХ ЭМС	Исполнительный орган Электродвигатель Рабочий орган Измеритель напряжения Измеритель тока Измеритель момента Измеритель скорости Аналого-цифровой преобразователь Коэффициент полезного действия Система импульсно-фазового управления Объект управления Переходный процесс Регулятор состояний Амплитудно-фазовая частотная характеристика Электромеханическая система
МК	Микроконтроллер

 

 

ВВЕДЕНИЕ

       На сегодняшний день крановое электрооборудование является одним из основных средств комплексной механизации всех отраслей экономики России. В настоящее время грузоподъемные машины выпускаются большим числом заводов. Эти машины используются во многих отраслях народного хозяйства, металлургии, строительстве, при добыче полезных ископаемых, машиностроении, транспорте и в других отраслях.

       Задачей выпускной квалификационной работы является разработка микроконтроллерного устройства для управления электроприводом механизма передвижения тележки крана. Основные требования, предъявляемые к электроприводу: высокая надежность, бесперебойность работы, поддержание заданной скорости и заданного ускорения и замедления, регулирование угловой скорости двигателя в широких пределах, реверсирование электропривода и обеспечение его работы как в двигательном, так и в тормозном режиме.

       Перемещение будет осуществляться при помощи управления электродвигателем с реверсом для передвижения тележки в обе стороны. Силовой преобразователь может быть выполнен по трехфазной нулевой схеме выпрямления. Он преобразует переменное трехфазное напряжение сети в постоянное. Данная схема позволяет управлять выпрямленным напряжением, подаваемым на двигатель, скорость вращения которого зависит от этого напряжения. Микропроцессорная система управления предназначена для поддерживания технических требований САУ и заданного параметра управления – скорости вращения электропривода. Другими задачами МКУ являются: управление углом отпирания тиристоров мостовой схемы выпрямления, обработка сигналов прерываний, обработка информации с датчиков тока, напряжения, момента и скорости.

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

       В работе требуется разработать микроконтроллерное устройство для управления электроприводом механизма передвижения тележки крана. 

       Для этого требуется синтезировать устройства, для управления движением двухмассовой электромеханической системой, содержащей силовой преобразователь (СП) напряжения и электродвигатель (ЭД) постоянного тока независимого возбуждения, связанный с рабочим органом (РО) вязкоупругой кинематической передачей.

Рисунок 2.1. Функциональная схема объекта управления

       По техническому заданию необходимо произвести расчет силового преобразователя для трёхфазной мостовой несимметричный схемы. Напряжение сети 380/220 В, возможное отклонение напряжения – 5%.

       Предполагается наличие измерителей (датчиков) напряжения (ИН), тока (ИТ), момента (ИМ) и скорости (ИС).

       2.1 Исходные данные объекта управления

1. Максимальная угловая скорость ЭД: Ω_М =100 рад/с

2. Максимальный момент нагрузки: М_с = 81.4 Н∙м

3. Момент инерции ротора ЭД: J₁ = 0,5 кг∙м²

4. Момент инерции механической части РО: J₂ = 0,45 кг∙м²

5. Номинальное напряжение ЭД: Uн = 220 В

6. Активное сопротивление якорной цепи: R_a = 0,48 Ом

7. Индуктивность якорной цепи: L_a = 0,014 Гн

8. Конструктивная постоянная ЭД: С = 1,99 Вб

9. Номинальный ток ЭД: I_н = 44 А

10. Максимальный ток ЭД: I_м = 3∙I_н

11. Постоянная времени СП: Т_сп = 0,0033 с при Р > 3 кВт (P = 3,18 кВт)

12. Коэффициент передачи

- датчика напряжения    К_дн = 0,05;

- датчика тока                 К_дт = 0,076 В/А;

- датчика скорости         К_дс = 0,05 В∙с;

- датчика момента            К_дм = 0,05 В/Н∙м.

13. Приведенный коэффициент жесткости

       механической части:      С₁₂ = 234 Н∙м/рад.

Коэффициент внутреннего вязкого трения:               b₁₂ = 1,49 Н∙м∙c/рад.

    2.2 Технические требования к системе автоматического управления

1. Максимально допустимая относительная погрешность стабилизации углового положения: Δ_М = 0.5% от заданного углового перемещения;

2. Полоса пропускания: 7 Гц;

3. Время восстановления положения при ступенчатом изменении момента нагрузки от нулевого до максимального значения (время возврата положения к значению, равному 3∙Δ_М): Tв ≤ 1с;

4. Пеpеpегулиpование скорости: σ ≤ 20%.

       2.3 Технические требования к микроконтроллерному устройству управления

       МКУ должно включать в себя:

1. Базовый микроконтроллер (32-х разрядный);

2. Оперативные периферийные устройства: светодиодные семисегментные индикаторы (3 знакомест), клавиатура (8 клавиш), внешние прерывания (3 линии);

3. Внешние устройства:

§ Входные: АЦП (5 каналов, 10 разрядный, Uвх = 0...10 В);

§ Выходные: схема управления ключами трёхфазного мостового несимметричного силового преобразователя.

4. Интерфейс для связи с дополнительными внешними устройствами: USB;

5. Подключение SD-карты памяти через интерфейс SDIO.

6. Разработку детальной блок-схемы алгоритма, реализующего опрос нулевого(CH0), первого(CH1) и второго(CH2) каналов. Для визуального отображения изменения значения напряжения следует использовать жидкокристаллический дисплей с интервалом T=0.5c.

Расчетный ток нагрузки

В отсутствии графика нагрузки вентильного преобразователя в качестве расчетного примем номинальный ток нагрузки = = 44 A.

 

Параметры цепи нагрузки

Для двигателя постоянного тока активное сопротивление его якорной цепи R_ЯЦ, состоит из сопротивлений обмоток якоря R_Я, дополни­тельных полюсов R_ДП и компенсационной R_К, может быть вычислено по приближённой формуле:

     (3.1.3)

где U_dH – номинальное напряжение, В;

  I_dH – номинальный ток, А;

  P_H  – номинальная мощность, Вт, электродвига­теля постоянного тока.

Собственная индуктивность якоря двигателя постоянного тока определяется по формуле Лиумвиля - Уманского:

(3.1.2)

где K_L = 10 – конструктивный коэффициент,  – число полюсов электродвигателя, N_H – но­минальная скорость вращения, об/мин. Для но­минальной скорости N_H =1433,121 об/мин.

 

 

     3.1.4  Схема преобразователя

     На рис.3.1.4.1 представлена схема преобразователя. Согласно заданию в качестве преобразователя возьмем трёхфазную мостовую несимметричную схему.

 

Рис.3.1.4.1 Трехфазная мостовая несимметричная схема

    3.2 Выбор вида связи выпрямителя с сетью

В этом разделе выбирается элемент, связывающий вентильную схему с сетью переменного тока (согласующий трансформатор или токоограничивающий реактор – ТОР). Основой для принятий решения являются номинальные напряжения сети (фазное  и линейное ) и нагрузки –  и схема выпрямления.

 

    3.3  Выбор согласующего трансформатора или токоограничивающего реактора

    В качестве звена, согласующего выпрямительный блок с сетью переменного тока, может использоваться согласующий трансформатор либо токоограничивающий реактор. Согласующий трансформатор может применяться для следующих целей:

1. изменить величину переменного напряжения сети в соответствии с принятой схемой выпрямления;

2. преобразовать число фаз сети переменного напряжения и/или задать среднюю точку;

3. своим сопротивлением понизить токи короткого замыкания при внутренних и внешних повреждениях в выпрямителе и ограничить скорость нарастания прямого тока вентилей в коммутационных процессах.

ТОР может выполнить только третью задачу. Следовательно, для трехфазной мостовой несимметричной схемы необходим дополнительный анализ.

Преобразователь должен обеспечить номинальное напряжение на нагрузке в нормальных режимах работы с учетом минимально допустимых углов регулирования, возможных понижения сети и падений напряжения в элементах установки (вентильной схеме, сглаживающем реакторе, соединительных проводах).

,       (3.3.1)

где  – номинальное напряжение нагрузки (), В;  – падение напряжения на активных сопротивлениях цепи выпрямленного тока (вентилях, сглаживающем реакторе, соединительных проводах), предварительно можно принять  ;  – коэффициент схемы выпрямления (для трёхфазной мостовой несимметричной схемы выпрямления );  – коэффициент, учитывающий возможное падение напряжения сети, в соответствии с ГОСТ 13109-87 на зажимах электроприемников в нормальных режимах допускается отклонение напряжения , следовательно,  (расчетным является значение );  – минимальный угол регулирования для нереверсивного преобразователя при согласованном управлении;  – коэффициент наклона внешней характеристики выпрямителя (для трёхфазной мостовой несимметричной схемы выпрямления ), учитывающий понижение напряжения на выходе выпрямителя при коммутации токов вентилей;  – напряжение короткого замыкания трансформатора, %, предварительно можно принять .

Ток на входе вентильного преобразователя (ток вторичной обмотки трансформатора или ТОР)

                                     (3.3.2)

где  – коэффициент фазного тока при активно–индуктивной нагрузке ();  – коэффициент, учитывающий отклонение формы тока от прямоугольного, .

А.

Для мостовых трехфазных схем возможно применение токоограничивающего реактора при выполнении условия:

            ,                     (3.3.3)

 условие не выполняется.

Условия для использования токоограничивающего реактора не выполняются, следовательно, в качестве элемента, связывающего вентильную схему с сетью переменного тока, возьмем согласующий трансформатор.

    3.4  Выбор и проверка согласующего трансформатора

    Габаритная мощность трансформатора определяется по выражению, кВА,

           ,                 (3.4.1)

где  – коэффициент типовой мощности трансформатора ().

 кВА

Далее необходимо подобрать соответствующий однофазный трансформатор, отвечающий следующим условиям:

                                                        ,

                                                        ,

                                                        ,                                        (3.4.2)

                                                        ,

где , , ,  – номинальные значения мощности, первичного и вторичного напряжения и вторичного тока трансформатора.

Выберем трансформатор ТС-15/0.6. Технические данные: =15 кВА, В, В, Вт, Вт, %.

Номинальный вторичной ток трансформатора рассчитывается по формуле:

           ,                               (3.4.3)

где  – число фаз вторичной обмотки (m₂=3);  – коэффициент схемы ().

А

 ,

Выбранный трансформатор подходит по всем условиям проверки.

Определим индуктивное  и активное  сопротивления, Ом, приведенные ко вторичному напряжению, и коэффициент трансформации :

   , , ,      (3.4.4;3.4.5;3.4.6)

где  – потери короткого замыкания в трансформаторе, Вт.

Ом, Ом,

При использовании согласующего трансформатора в дальнейших расчетах будем учитывать, что к выпрямителю подводится номинальное переменное напряжение, создаваемое вторичной обмоткой В.

 

     3.5 Расчет регулировочной характеристики

     Регулировочной характеристикой является аналитическая или графическая зависимость напряжения на выходе выпрямителя от угла регулирования.

Исходными данными для ее построения служат напряжение, подводимое к вентильной схеме В, и режим работы преобразователя.

В качестве расчетного примем режим непрерывных токов при работе на активно-индуктивную нагрузку. Регулировочная характеристика строится без учета падения напряжения в выпрямителе и в цепи выпрямленного тока.

1. Выпрямленное напряжение преобразователя при угле регулирования  определяется:

                                                   ,                  (3.5.1)  

где  – коэффициент схемы (для трёхфазных схем ).

              В   (3.5.2)

2. Регулировочная характеристика для трёхфазного мостового несимметричного преобразователя:

,

Рис. 3.3.1. Регулировочная характеристика.

По полученной характеристике определим минимальный (начальный) угол управления, необходимый для ограничения выходного напряжения номинальной величины (U_H=220 В), и максимальный (конечный) угол , необходимый для обеспечения минимального напряжения (U_min=22 В).

эл. гр. эл. гр.

 

Фазный вентиль

Коэффициент формы тока вентиля К_Ф определяется сле­дующим образом: , где b=180 градусов

                                   (3.7.3.1)

Среднее значение тока  и амплитуда импульсного рабочего напряжения  для фазного вентиля определяются следующим образом:

                                                   ,                 (3.7.3.2)

                                                ,                (3.7.3.3)

где  – коэффициент среднего тока вентиля ();  – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения тока по фазам и зависящий от точности работы системы управления, при допуске на несимметрию углов управления по фазам в 3 градуса ;  – число параллельных приборов в эквивалентном вентиле ();  – коэффициент равномерности деления тока по полупроводниковым приборам (1);  – коэффициент обратных напряжений данной схемы ();  – число последовательно соединенных приборов в схеме эквивалентного вентиля ();  – коэффициент равномерности деления напряжения по последовательно соединенным приборам ().

А,

В.

 

Дополнительные данные.

Определим скорость нарастания тока в эквивалентном вентиле при включении. Ее максимальное значение определяется выражением:

                                        (5.14)                      

где  – число фаз согласующего трансформатора в контуре коммутации тока вентиля.

А/c.

Предварительный выбор и расчет диодов и тиристоров

Выбор типа охлаждения.

Охладители предназначены для отвода тепла от полупроводникового прибора и создания приемлемого теплового режима.

Для выбранных полупроводниковых приборов рекомендуемые охладители:

— для тиристора О151-80,

— для диода О231-80.

 

Проверка по аварийному току

Для защиты вентилей полупроводниковых преобразователей в аварийных режимах работы используются быстродействующие автоматические воздушные выключатели. В этом случае при анализе теплового режима можно считать, что через вентиль проходит один импульс аварийного тока и выделяется количество тепла, соответствующее тепловому эквиваленту . Защитный показатель вентиля определяется по значению ударного неповторяющегося тока  следующим выражением, .

                                                                       (3.8.1.5.2.1)

Для тиристора:              

Для диода:                     

Полупроводниковый прибор будет устойчив к тепловому воздействию аварийного тока при выполнении условия:

               (3.8.1.5.2.2)

.

Условие (3.8.1.5.2.2) не выполняется. Следовательно, требуется защита вентилей плавкими предохранителями.

 

 

Коэффициент  мощности

Коэффициент мощности  в общем случае может быть определен как отношение активной мощности, потребляемой из сети , к полной мощности :

                                                   ,           (3.10.3.1)

где  – потребление реактивной мощности преобразователем.

Активная мощность определяется мощностью, отдаваемой в нагрузку, и потерями мощности в элементах преобразователя

                                                                          (3.10.3.2)

Потребление реактивной мощности Q преобразователем складывается из двух составляющих:

                                                                                  (3.10.3.3)

где ,   – потребление реактивной мощности согласующим трансформатором и вентильной схемой.

Для согласующего трансформатора потребление реактивной мощности определяется только величиной тока нагрузки преобразователя:

(3.10.3.4)

где  – число фаз вторичной обмотки трансформатора,  – ток холостого тока трансформатора, %.

Потребление реактивной мощности вентильной схемой  может быть определено через ее коэффициент мощности :

                                               (3.10.3.5)

Для выпрямителя, как и для любой электрической установки с несинусоидальными токами, коэффициент мощности  определяется произведением коэффициентов искажения  и сдвига  первичного преобразователя:

                                                           (3.10.4.6)

Для трёхфазной мостовой несимметричной схемы при <() и  при ()< < , а                             (3.10.4.7)

 

Рассчитаем и построим кривые коэффициентов мощности в зависимости от тока нагрузки при ,  и  углах регулирования, полученных из регулировочной характеристики. Токи нагрузки задавать: 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2 . Напряжение на нагрузке  определяется по внешней характеристике при принятых углах регулирования  и тока нагрузки .

Результаты расчетов занесем в таблицу 3.10.3.1

 

Таблица 3.10.3.1. Результаты расчетов мощностей и коэффициента мощности

	65 эл. гр.	90 эл. гр.	147 эл. гр.	65 эл. гр.	90 эл. гр.	147 эл. гр.	65 эл. гр.	90 эл. гр.	147 эл. гр.
8.8	2897	2941	2050	2198	1618	436.41	0.604	0.482	0.208
17.6	4871	4925	2893	4119	2953	583.48	0.646	0.514	0.198
26.4	6820	6853	3428	6018	4258	696.2	0.662	0.528	0.199
35.2	8745	8725	3656	7894	5534	774.58	0.67	0.536	0.207
44	10650	10540	3576	9748	6781	818.61	0.675	0.541	0.223
52.8	12520	12300	3190	11580	7998	828.3	0.679	0.545	0.251

 

Рис.3.10.3.1. Кривые коэффициента мощности в зависимости от тока нагрузки при разных углах регулирования.

Из рисунка 3.10.3.1 видно, что чем выше угол управления, тем меньше коэффициент мощности преобразователя, так как интервал рекуперации тока в питающую сеть становится длительнее, мощность, отдаваемая в нагрузку, уменьшается, а потребление реактивной мощности вентильной схемы увеличивается.

Вывод

В данном курсовом проекте была разработана схема управляемого трехфазного мостового выпрямителя с системой импульсно-фазового управления (СИФУ) силовыми ключами.

Были проведены расчеты, в ходе которых:

- был выбран элемент, трехфазный трансформатор типа ТС-15/0.6, удовлетворяющий всем критериям проверки, который согласует питающую сеть и силовые ключи;

- рассчитана и построена регулировочная характеристика выпрямителя, по которой найдены начальный и конечный углы регулирования, которые составили 65эл. гр. и 147 эл. гр. Соответственно; - расчитана необхадимая индуктивность цепи нагрузки(пункт 3.6.1), обеспечивающей непрерывный ток во всем диапазоне изменения нагрузки, которая показала, что индуктивность якоря не достаточна для заданных параметров схемы, поэтому потребовалось использование сглаживающего реактора;

- для четырех углов управления, включая начальный и конечный, были построены внешние характеристики УВ, представленные на рисунке 3.4.1, рассчитана и построена линия граничных токов для возможности выбора необходимой индуктивности якоря, чтобы обеспечивать непрерывный ток преобразователя; - был проведен расчет рабочих и аварийных режимов работы трансформатора. Исходя из данных, полученных из анализа рабочего режима, был выбран тиристор серии Т152-80 и диод Д132-80, совместимый с тиристором охладитель О151-80 и совместный с диодом охладитель О231-80. Проверка вентиля показала, что выбранный тиристор проходит по допустимому значению аварийного тока, поэтому нет необходимости устанавливать плавкие предохранители. Основные элементы защиты представляют собой автоматические воздушные выключатели QF1 типа А3712Б и QF2 типа А3711Б (пункт 3.9.) Для преобразователя были определены его энергетические характеристики – коэффициента полезного действия (рисунок 3.10.2.1) и коэффициента мощности (рисунок

3.10.3.1). Из рисунка 3.10.3.1 видно, что чем выше угол управления, тем меньше коэффициент мощности преобразователя, так как интервал рекуперации тока в питающую сеть становится длительнее, мощность, отдаваемая в нагрузку, уменьшается, а потребление реактивной мощности вентильной схемы увеличивается.

. Наибольший коэффициент мощности 0.625. Также по заданию была разработана СИФУ тиристорами, которая включает в себя схему синхронизации с сетью, необходимую, для определения точек коммутации и передачи этих данных на микроконтроллер STM32F103ZF. В микроконтроллере посредством внутреннего таймера отсчитывается заданный угол регулирования и отправляется импульс, который через оптрон MOC3061-M поступает на управляющий электрод тиристора, открывая его.