Методика исследования с векторной системой управления

ВВЕДЕНИЕ
     
     Энергетической основой нефтяных промышленных предприятий  является электрический привод, посредством которого электрическая энергия превращается в механическую энергию  и доставляется к рабочему исполнительному органу. Технологические процессы в предприятиях нефтегазовой отрасли требуют регулирования технологических параметров и протекают оптимально при условии, что в системе управления есть возможность воздействия на процесс регулирования производительности и интенсивности.
     Использование регулируемого электропривода в сочетании с системами
технологической автоматики позволяет более гибко, плавно и динамично
воздействовать на производственный процесс, что обеспечивает наилучшие
показатели качества производственного процесса и значительное снижение
энергопотребления.
     Изменением угловой скорости вращения приводного механизма можно
обеспечить широкий диапазон регулирования с меньшими потерями энергии.
Для этих целей используется регулируемый электропривод.
     Расширение и усложнение выполняемых электроприводом функций,
применение в нем новых средств управления требуют высокого уровня
подготовки специалистов, занятых его проектированием, монтажом, наладкой и
эксплуатацией. Они должны хорошо знать назначение и элементную базу
отдельных узлов электропривода, их свойства и характеристики, уметь
разбираться в схемах управления электропривода, определять его
экономические показатели и выбирать его элементы.
     Для формирования профессиональных компетенций у студентов теоретический процесс обучения должен закрепляться практически, но в процессе аудиторных занятий в вузе этого добиться достаточно сложно. Одним из методов получения комбинированных теоретических и практических знаний, является работа с лабораторным стендом. Для студентов направлением подготовки по профилю 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» значимым является постановка задач связанных с изучением характеристик систем электропривода. 
     Лабораторный стенд позволяет изучить работу асинхронного электропривода, а также исследовать частотное регулирование при помощи встроенного в стенд преобразователя частоты. В ходе проведения на стенде лабораторных работ можно оперативно менять структуру, а также параметры изучаемой системы. Впоследствии, выполняя работы на лабораторном стенде, студенты приобретают необходимые навыки, такие как: способность самостоятельно проводить различные инженерные эксперименты; обосновывать выбор нужного оборудования для постановки эксперимента; обрабатывать полученные результаты и т.д.
     
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

     Регулируемый электропривод, построенный по системе
«преобразователь частоты - асинхронный двигатель» уверенно становится
стандартным промышленным оборудованием. Преимущества асинхронного
короткозамкнутого двигателя по сравнению с двигателями постоянного тока,
такие как высокая надежность, меньшая стоимость, простота изготовления и
эксплуатации, в сочетании с высокими регулировочными и динамическими
показателями превращают асинхронный частотно-регулируемый
электропривод в доминирующий тип регулируемого электропривода,
массовое применение которого позволяет решать не только технологические
задачи, но и проблему энергосбережения.
     В выпускной квалификационной работе рассмотрены вопросы, связанные с
экспериментальным и аналитическим исследованием частотно
регулируемого электропривода. В ходе исследований разработаны
методические указания к лабораторным работам по темам: «Исследование
асинхронного электропривода в различных режимах работы» и
«Исследование системы преобразователь частоты - асинхронный двигатель»,
что позволит использовать данные лабораторные стенды  в учебном процессе по
дисциплинам «Электрические машины», «Теория электропривода»,
«Автоматизированный электропривод», «Перспективные системы регулируемого электропривода» для студентов направления 13.03.02, 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», 21.05.04 «Электрификация и автоматизация горного производства». 
     
     5 Методические указания по выполнению работы 
     
     5.1 Методика исследования с векторной системой управления
     
     Параметрирование и ввод в действие электропривода следует
производить в последовательности, которая приведена в приложении В.
     Далее следует опробовать работу электропривода.
     Опробование электропривода с помощью BOP (базовая панель оператора).
     Нажмите на клавишу Fn. На дисплее появится параметр r0000. Нажмите на клавишу Р. На дисплее появится значение частоты 5 Гц. Далее нужно нажать на клавишу пуск двигателя, чтобы включить двигатель. Двигатель разгонится до минимальной частоты 5 Гц. Затем необходимо нажать клавишу Увеличение значения. Двигатель начнет увеличивать скорость. Держите нажатой эту клавишу до тех пор, пока частота не будет равна 50 Гц. И после всего описанного нужно нажать клавишу Стоп двигателя. Скорость двигателя снизится до нуля.
     Установка коэффициента усиления и постоянной интегрирования регулятора скорости.
     Оптимизация характеристик электропривода осуществляется установкой коэффициента усиления и постоянной интегрирования регулятора скорости. Для этой цели предусмотрены параметры Р1470 и Р1472 соответственно. По умолчанию устанавливаются параметры Р1470 и Р1472 равные 3 и 25 соответственно. 
     Для оптимизации характеристик привода необходимо постепенно изменять данные параметры, контролируя скорость АД по осциллографу.
     Важно знать, что при отклонении настроек от оптимальных значений
быстрое изменение задания скорости либо нагрузки может вызвать
превышение токов допустимых значений, что приведет к срабатыванию
соответствующей защиты в системе.
     Следующим этапом является опробование работы нагрузочного
устройства.
     Переведите сначала переключатель SA3 – Разрешение работы, затем
переключатель SA2 – Наброс/Сброс нагрузки в верхнее положение.
     Медленно поворачивайте ручку потенциометра RP1 – Задание
нагрузки по часовой стрелке. В этом случае будет наблюдаться бросок тока.
Быстро выведите ручку потенциометра RP1 в исходное нулевое положение.
     Включите двигатель нажатием клавиши Пуск двигателя на ВОР и
доведите частоту преобразователя до 30 Гц, как это делалось раньше. Затем
медленно потенциометром RP1 – Задание нагрузки дайте нагрузку. При этом
наблюдайте за показаниями приборов РА1 – Ток якоря НМ и FP1 – Частота
вращения. Грузите двигатель до тех пор, пока ток якоря нагрузочной машины
не достигнет величины 2,5 А. При этом скорость двигателя должна падать.
     Снимите нагрузку поворотом ручки потенциометра RP1 против
часовой стрелки до упора. Нажмите клавишу Стоп двигателя на базовой
панели BOP. Скорость двигателя снизится до нуля.
     На этом опробование работы электропривода и нагрузочного устройства
заканчивается.
     Следующим этапом является снятие характеристик электропривода.
     Необходимо снять ряд механических характеристик, соответствующих
следующим значениям фиксированных частот: 50 Гц, 40 Гц, 30 Гц и 20 Гц.
Каждая механическая характеристика снимается в следующей
последовательности.
     При снятой нагрузке разогнать двигатель до значения скорости,
соответствующего частоте преобразователя 50 Гц. Затем, задавая
последовательно фиксированные значения тока нагрузочной машины, снять
показания приборов РА1 - Ток якоря НМ и FP1 - Частота вращения. Для
контроля перегрузки по току преобразователя на дисплей панели ВОР выведите
ток статора.
     При необходимости на дисплей панели ВОР можно вывести для контроля
последовательно следующие параметры:
     r0022 – расчетное значение частоты вращения двигателя, 1/мин;
     r0025 – среднеквадратическое значение напряжения статора, В;
     r0027 – среднеквадратическое значение тока статора, А;
     r0031 – момент двигателя, в % от номинального значения.
     Важно при снятии характеристик соблюдать следующие требования:
     - контролируйте перегрузку преобразователя частоты по току ( не более чем 2,2 А);
     - показания приборов и данные с дисплея необходимо снимать быстро. Это
требование важно соблюдать при малых частотах, что связано с нагревом
силовых ключей преобразователя и обмоток двигателя.
     Не допускайте снижение скорости ниже нуля.
     Повторить опыт для частот преобразователя 40 Гц, 30 Гц и 20 Гц.
     После снятия характеристик необходимо сначала убрать нагрузку
поворотом ручки потенциометра RP1, а затем затормозить двигатель, нажав на
клавишу Стоп двигателя панели ВОР.
Снятие динамических характеристик электропривода.
     Динамические характеристики можно снять с помощью осциллографа,
на входы которого необходимо подать сигнал скорости двигателя с клемм, расположенных внизу лицевой панели стенда. Должен
соответствовать номинальному моменту двигателя.
     Снятие динамических характеристик производится при ступенчатом
задании управляющего и возмущающего воздействия.
     Снятие динамических характеристик по управляющему воздействию
производятся при следующих установках начальных фиксированных частот
преобразователя: 50 Гц, 40 Гц, 30 Гц и 20 Гц.
     Снятие динамических характеристик по возмущающему воздействию
(при набросе нагрузки) производится при тех же значениях частот. Скачек
нагрузки.
     После проведения опытов следует построить следующие характеристики:
- механические ?(т);
- динамические ?(t).

     5.2 Методика исследования со скалярными системами управления
     
     Снятие механических характеристик при законе частотного управления
 .
     Параметрирование и ввод в действие электропривода следует
производить в последовательности, которая приведена в приложении В.
     Далее следует опробовать работу электропривода с помощью базовой панели оператора  (BOP).
     Нажмите на клавишу Fn. На дисплее появится параметр r0000. Нажмите на клавишу Р. На дисплее появится значение частоты 5 Гц. Затем нажмите на клавишу Пуск двигателя, чтобы включить двигатель. В результате двигатель разгонится до минимальной частоты 5 Гц. После этого нажмите клавишу Увеличить значение. Двигатель начнет увеличивать скорость. Держите нажатой эту клавишу до тех пор, пока частота не будет равна 40 Гц. В конце нужно нажать клавишу Стоп двигателя. Скорость двигателя снизится до нуля . 
     Следующим этапом является опробование работы нагрузочного устройства.
     Переведите сначала переключатель SA3 – Разрешение работы, затем переключатель SA2 – Наброс/Сброс нагрузки в верхнее положение. Включите двигатель нажатием клавиши Пуск двигателя на BOP и доведите частоту преобразователя до 40 Гц, как это делалось раньше. Затем медленно потенциометром RP1 – Задание нагрузки дайте нагрузку. При этом наблюдайте за показаниями приборов РА1 – Ток якоря НМ и FP1 – Частота вращения. Загружайте до тех пор, пока ток якоря не достигнет величины 2 А. При этом скорость двигателя должна падать. Снимите нагрузку поворотом ручки потенциометра RP1 против часовой стрелки до упора. Нажмите клавишу Стоп двигателя на базовой панели BOP. Скорость двигателя снизится до нуля.
     На этом опробование работы электропривода и нагрузочного устройства
заканчивается.
     Следующим этапом является снятие характеристик электропривода.
     Снятие зависимости .
     Произведите пуск двигателя, нажав кнопку Пуск двигателя. Затем
кнопкой Уменьшить значение доведите скорость до нуля. Установите параметр r0000 и нажмите кнопку Р, тогда на дисплее
появится значение частоты, равное 0 Гц. Запишите это значение.
     Снова нажмите кнопку Р. После появления параметра r0000 измените его
на r0025 и далее нажмите кнопку Р. Такими действиями выводится на дисплей
значение напряжения статора. В данном случае напряжение будет равно 0 В.
Запишите это показание. В результате имеем координаты
начальной точки характеристики .
     Для получения координат второй точки характеристики вначале вернитесь к параметру r0000. После нажатия кнопки Р измените кнопкой
Увеличить значение частоту преобразователя на 5 Гц. Запишите значение
установленной частоты. Координаты третьей и последующих
точек характеристики	снимаются аналогично. Снятие характеристики заканчивается при частоте 50 Гц.
     Снятие механических характеристик электропривода.
     Необходимо снять механические характеристики ,
соответствующие следующим значениям фиксированных частот: 50 Гц, 40 Гц,
30 Гц и 20 Гц. Каждая механическая характеристика снимается в следующей
последовательности.
     При снятой нагрузке разогнать двигатель до скорости, соответствующей
частоте преобразователя  равным 50 Гц. Затем, задавая последовательно фиксированные значения тока нагрузочной машины, снять показания приборов
РА1 – Ток якоря НМ и FP1 – Частота вращения. Для контроля перегрузки по
току преобразователя на дисплей панели ВОР выведите параметр r0027 - Ток
статора.
     При необходимости на дисплей панели ВОР можно вывести для контроля
последовательно следующие параметры: r0025 - напряжение статора; r0031 -
момент; r0032 - мощность.
     Важно при снятии характеристик соблюдать следующие требования:
     - грузить двигатель можно только до значения критического момента (при
переходе критического момента скорость двигателя резко начинает
уменьшаться. В этом случае поворотом потенциометра RP1 следует быстро
снять нагрузку);
     - контролируйте перегрузку преобразователя частоты по току ( не более 2,2 А);
     - при низкой скорости двигателя показания приборов и данные с дисплея
необходимо снимать быстро, так как в этом случае ухудшается охлаждение
обмоток двигателя;
     - не допускайте снижение скорости ниже нуля.
     Повторить опыт для частот преобразователя 40 Гц, 30 Гц и 20 Гц.
     После снятия характеристик необходимо сначала снять нагрузку
поворотом ручки потенциометра RP1, а затем затормозить двигатель, нажав на
клавишу Стоп двигателя базовой панели оператора (BOP).
     Снятие механических характеристик при законе частотного управления   = const с постоянным повышением U/f  - характеристики.
     Ввод в действие электропривода.
     Установите параметр Р1310 равным 50 % (постоянное повышение U/f
характеристики).

     Снять зависимость.
     Снять механические характеристики, соответствующие следующим
значениям фиксированных частот преобразователя: 50 Гц, 40 Гц, 30 Гц и 20 Гц.
     При снятии характеристик руководствуйтесь ранее описанными
методиками.
     Снятие механических характеристик при управлении FCC
(Flux current Control).
     Управление FCC (Flux current Control) поддерживает ток двигателя,
создающий поток, для повышения эффективности частотно-регулируемого
электропривода [12].
     Параметрирование и ввод в действие электропривода для снятия характеристик.
     Необходимо выполнить параметрирование, которое представлено в приложении В  для выполнения работы.
     Снятие механических характеристик.
     Снять механические характеристики при следующих значениях
фиксированных частот преобразователя: 50 Гц, 40 Гц, 30 Гц и 20 Гц.
     После снятия характеристик установить параметр Р1335 равным 100 %. В этом случае автоматически корректируется частота преобразователя так, чтобы
скорость двигателя сохранялась постоянной, независимо от нагрузки.
     Снять механические характеристики при значениях фиксированных
частот преобразователя 50 Гц, 40 Гц, 30 Гц и 20 Гц.
     
5.3 Скалярное управление асинхронным короткозамкнутым двигателем по активной составляющей тока статора

5.3.2 Сравнение переходных процессов скалярной системы управления с векторной системой управления.
     В процессе работы на стенде исследовались режимы пуска с номинальным моментом, наброс и сброс нагрузки. На рисунке 5.2 представлены графики переходных процессов в электроприводе в режиме пуска с номинальным моментом до частоты 40 Гц. На графиках сверху вниз представлены: ток одной фазы статора, скорость заданная и измеренная, момент двигателя и амплитудное значение напряжения фазы двигателя. Пуск осуществлялся за время 1,8 с, через 3 с производился сброс нагрузки до значения 0,3 от Мном., через 5 с нагрузка увеличивалась до значения 2 от Мном., через 6 с нагрузка возвращалась к номинальному значению.
     Надо отметить, что при частоте тока статора 50 Гц и при нагрузке, равной Мном., устанавливается максимальное напряжение статора.
     Для сравнения переходных процессов предложенной скалярной системы управления (рисунок 5.2) с векторной системой управления было выполнено исследование классической векторной системы управления с четырьмя ПИ-регуляторами, с ориентированием по полю ротора, при тех же условиях пуска и нагрузки с таким же электродвигателем. Результаты приведены на рисунке 5.3.
     По сравнению с предложенной скалярной системой (рисунок 5.2) переходные процессы в векторной системе управления (рисунок 5.3) протекают плавно без перерегулирования, хотя по быстродействию и перегрузочной способности они практически одинаковы.
     Предложенный скалярный метод регулирования частоты вращения асинхронным двигателем с датчиком скорости позволяет снизить рабочую частоту электропривода до 2 Гц и обеспечить наилучшие показатели системы «электродвигатель - статический преобразователь частоты» во всем частотном диапазоне. Перегрузочная способность электропривода сохраняется во всем диапазоне частот, в том числе и в момент пуска двигателя. Для реализации системы управления не надо знать параметры схемы замещения и тем более их корректировать в процессе работы. По быстродействию предложенная система управления приближается к векторной системе управления, при этом она нечувствительна к температурным изменениям параметров электродвигателя. Данная скалярная система управления может быть применена в горной промышленности для электропривода транспортеров, комбайнов, подъемных механизмов и др., а также в качестве гребного электропривода.


.......................