układ automatycznej regulacji silnika szeregowego prądu stałego
Transkrypt
układ automatycznej regulacji silnika szeregowego prądu stałego
UKŁAD AUTOMATYCZNEJ REGULACJI SILNIKA SZEREGOWEGO PRĄDU STAŁEGO KONFIGUROWANY GRAFICZNIE Konrad Jopek (IV rok) Opiekun naukowy referatu: dr inż. Tomasz Drabek „Układ automatycznej regulacji silnika szeregowego...” K. Jopek opiekun: dr inż. T. Drabek Streszczenie: W pracy przedstawiono układ regulacji prędkości silnika szeregowego prądu stałego zasilanego poprzez chopper. Analiza oraz symulacje układu regulacji są drogą do zrealizowania fizycznego układu napędowego z wykorzystaniem komputera PC jako sterownika. Użycie narzędzi programowych Real Time Workshop oraz Real Time Windows Target będących częścią pakietu Matlab/Simulink umożliwia szybkie zaprogramowanie sterowania oraz wizualizację danych pomiarowych. 1. Zasada sterowania silnika prądu stałego poprzez regulację napięcia a) Model liniowy silnika szeregowego prądu stałego Na rysunku 1 przedstawiono model silnika szeregowego prądu stałego. i wzbudzenie M w y Ua twornik rys. 1) model silnika szeregowego prądu stałego Równanie elektryczne: di + cψ (i )ω dt di u a = Ri + L + M st ω i dt u a = Ri + L (1a) (2) Równanie mechaniczne: dω = Te + Tobc dt dω J = cψ (i )i + Tobc dt J J gdzie: ua R L Ψ ω J dω = M st i 2 + Tobc dt (3a) (3b) (4) napięcie twornika rezystancja (obejmuje obwód wzbudzenia i twornika) indukcyjność (obejmuje obwód wzbudzenia i twornika) strumień magnetyczny wytworzony przez wzbudzenie prędkość kątowa maszyny moment bezwładności (maszyna i obciążenie znajdujące się na jej wale) 2 „Układ automatycznej regulacji silnika szeregowego...” Te Tobc c,Mst K. Jopek opiekun: dr inż. T. Drabek moment elektromagnetyczny wytworzony przez maszyne moment obciążenia współczynniki Prędkość w stanie ustalonym można przedstawić jako: U − RI (5) ω= a cψ (i ) Jak widać w powyższej zależności jednym ze sposobów regulacji silnika może być zmiana napięcia na zaciskach twornika. b) Parametry rzeczywistego silnika Brovn Boveri GS10A Dane znamionowe silnika GS10A: napięcie zasilania 220 – 340 V prąd 15 - 21 A moc 2,7 – 6,2 kW prędkość obrotowa 1500 – 1900 obr/min Parametry modelu: rezystancja indukcyjność moment bezwładności współczynnik Mst 1,05 0,13 0,776 0,09 Ω H kg·m2 c) Regulacja napięcia zasilającego maszynę Wartość średnią napięcia okresowego: Ua = gdzie: Ua T ua(t) 1 T u a (t )dt T ∫0 (6) wartość średnia napięcia okres napięcia wartość chwilowa napięcia Powyższa definicja jest podstawą działania układu regulującego wartość średnią napięcia stałego (rys. 2). Zmiana czasu przewodzenia w każdym okresie sterowania powoduje zmianę średniej wartości napięcia , którą zasilany jest silnik. t Ua = U z (7) T gdzie: Ua wartość średnia napięcia t czas przewodzenia T okres sterowania 3 „Układ automatycznej regulacji silnika szeregowego...” K. Jopek opiekun: dr inż. T. Drabek Uz czas t T rys.2 ) idea regulacji wartości średniej napięcia 2. Układ automatycznej regulacji a) wybrany układ regulacji regulator PI prędkość zadana uchyb prędkości + - PI regulator histerezowy przekształtnik uchyb prądu + silnik prędkość M sprzężenie prądowe sprzężenie prędkościowe rys.3 ) schemat układu regulacji Testowano układ regulacji prędkości z zewnętrznym regulatorem prędkości proporcjonalno całkującym PI oraz podrzędnym regulatorem histerezowym b) dobór nastaw regulatora PI Przyjmując, że silnik wraz z z regulatorem stanowi układ drugiego rzędu i chcąc uzyskać tłumienie krytyczne, nastawy regulatora PI można dobrać wg następujących zależności: ω Kr = 2 n (8) J 2 Ti = (9) ωn gdzie: ωn pulsacja drgań własnych Kr wzmocnienie Ti czas zdwojenia 4 „Układ automatycznej regulacji silnika szeregowego...” K. Jopek opiekun: dr inż. T. Drabek Pulsacje drgań własnych można określić na podstawie żądanego czasu regulacji treg 2 t reg = ωn (10) 3. Symulacja Na podstawie modelu matematycznego silnika przedstawionego w punkcie pierwszym oraz rozważań na temat układu regulacji został stworzony model symulacyjny w środowisku Matlab/Simulink. a) model silnika Przedstawiony na rysunku 4 model silnika opisują równania (2) i(4) 4 ka t o b ro tu 1 U 1 s 1 /L G a in In te g ra to r p ra d a l fa 1 s In te g ra to r2 3 i 2 T obc G a in 1 R M st P ro d u c t 1 /J G a in 4 p re d ko sc ka to w a 1 s 2 w In te g ra to r1 G a in 3 G a in 2 M st ro w n a n i e e l e ktry c z n e ro w n a n i e m e c h a n i c z n e p rz e l i c z e n i e d o [o b r/m i n ] 6 0 /(2 * p i ) 1 p re d ko sc o b ro to w a n rys. 4) model symulacyjny silnika szeregowego prądu stałego 5 „Układ automatycznej regulacji silnika szeregowego...” K. Jopek opiekun: dr inż. T. Drabek b) model układu regulacji Przedstawiony powyżej model silnika szeregowego został wykorzystany do symulacji w układzie automatycznej regulacji opisanym w punkcie drugim. zadawanie predkosci predkosc zadana [rad/sek] 1500 (2*pi)/60 predkosc zadana [obra/min] regulator predkosci uchyb predkosci moment zadany Kr Model Info sqrt(u) Fcn prad zadany ograniczenie zadanego pradu napiecie regulator histerezowy Gain2 Integrator predkosc obrotowa n U w i Tobc predkosc katowa alf a silnik szeregowy 1 s 1/Ti symulacja ukladu automatycznej regulacji dla silnika szeregowego pradu stalego 1/Mst Gain3 Gain1 Gain 1500 regulator pradu 10 moment obciazenia kat obrotu nadrzedny regulator pradu PI sprzezenie pradowe podrzedny regulator pradu histerezowy sprzezenie predkosciowe rys. 5) schemat symulacyjny układu regulacji silnika szeregowego prądu stałego Układ chopper’a reprezentuje w powyższym układzie wzmocnienie zawarte w regulatorze histerezowym. W stanie załączenia podaje na wyjście napięcie równe 200V, bezpośrednio stanowiące napięcie twornika. 4. Oprogramowanie Symulacje przeprowadzano w środowisku Matlab/Simulink. Przedstawione w poprzednim punkcie układy są punktem wyjściowym do podłączenia do komputera poprzez kartę pomiarową sygnałów z układów fizycznych. Możliwe jest zamiana modelu silnika rzeczywistymi sygnałami dzięki rozszerzeniom Simulink’a: Real Time Workshop (RTW)i Real Time Windows Target (skrót RTWT). • • • • • MATLAB stanowi środowisko obliczeniowe całego pakietu. Simulink środowisko modelowania układów przy użyciu schematów blokowych RTW zamiana schematów blokowych na kod języka C; kontrola nad pracą w czasie rzeczywistym RTWT obsługa wejść i wyjść karty pomiarowej Microsoft Visual Studio zewnętrzny kompilator kodu utworzonego na podstawie schematu blokowego Simulink’a 6 „Układ automatycznej regulacji silnika szeregowego...” K. Jopek opiekun: dr inż. T. Drabek 5. Badania laboratoryjne chopper komputer PC pomiar prądu PCL 818HD pomiar prędkości sterowany silnik rys. 6) idea stanowiska laboratoryjnego Powyższa praca miała zakończyć się zrealizowaniem przedstawionego układu regulacji w laboratorium (rys. 6). Obecnie jest na etapie uruchomieniowym. Silnikiem poddawanym regulacji jest maszyna szeregowa prądu stałego przedstawiona w punkcie 1c (rys. 7). Jako sterownik przewidziany jest komputer klasy PC wraz z kartą pomiarową PCL 818HD (rys. 8) firmy Advantech (komunikacja poprzez złącze ISA). Chopper jest jednotranzystorową konstrukcją wykonaną przez dyplomantów Katedry Maszyn Elektrycznych (rys. 9). rys. 7) stanowisko laboratoryjne do badań silników 7 „Układ automatycznej regulacji silnika szeregowego...” K. Jopek opiekun: dr inż. T. Drabek rys. 8) karta pomiarowa PCL 818HD firmy Advantech Silnik szeregowy prądu stałego + ≈220V LEM IGBT C 3 x 220V E G Pomiar prądu +5V Układ sterowania GND Układ wyzwalania tranzystora +15V GND -9V Pomiar prędkości silnika z tachogeneratora rys.9 ) chopper 8