Управление асинхронным двигателем (стр. 6 из 12)
Комплекс технических средств АСУТП должен обеспечивать бесперебойное функционирование системы.
Для получения первичной входной информации должны быть использованы датчики, измерительные и нормирующие преобразователис унифицированными характеристиками.
Комплекс технических средств АСУТП должен отвечать следующим критериям :
обеспечение минимального времени на обслуживание ;
наглядность и простота пользования средствами отображения, сигнализации и дистанционного управления ;
высокая автоматизация процессов запуска, останова и сервисного обслуживания ;
удобство пользования справочными, архивными и сервисными данными.
3. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
3.1 Выбор технических средств
Исходя из формулировки задачи определим технические средства необходимые для реализации устройства с заданными характеристиками и свойствами.
Для контроля скорости вала двигателя будем использовать тахогенератор сопряженный с валом рабочего двигателя, сигнал от которого заведем на аналогово-цифровой преобразователь находящийся непосредственно в разрабатываемой системе. Для преобразования непрерывного сигнала в цифровую форму представления выберем микросхему 1113ПВ1.
Сигналы от АЦП будем передавать на однокристальный микроконтроллер КР1816ВЕ51 выбранный по причине его аналогичности контроллеру Intel87C51FX, соответствия команд этих контроллеров и соответствия по уровням сигналов с ЭВМ выпускаемыми Intel, а также необходимости оперирования с данными представленными в параллельном формате, а также передачи обработанной информации в последовательном формате. Для ведения статистики работы системы потребуется ЭВМ типа IBM AT286 или более поздние модели.
Для получения информации о процессах, происходящих в системе, потребуются датчики. Для коммутации датчиков с модулем микроконтроллера используем принцип опроса и передачи информации о состоянии дискретных датчиков. Сопряжение будет осуществляться по линии связи посредством кабеля ТРШ.
Для гальванической развязки цепей линии связи и цепей микроконтроллера будем использовать оптроны, которые необходимы для преобразования сигналов представленных в линии связи импульсами тока в импульсы напряжения ТТЛ-уровня.
3.2 Разработка структурной схемы
Разработку структурной схемы автоматического управления асинхронным двигателем начнем с необходимости контроля температуры корпуса двигателя, частоты вращения вала двигателя.
Кроме того для получения информации о скорости вращения вала двигателя расположим тахогенератор, вал которого жестко сопряжен с валом рабочего двигателя. Двухпроводная линия связи соединяет тахогенератор с блоком управления.
Для контроля работы двигателя и ведения статистики этой работы контроллер соединяется с ЭВМ верхнего уровня.
Таким образом структурная схема будет содержать систему датчиков, устройства сбора и промежуточной передачи информации, устройство управления работой установки и машины верхнего уровня.
3.3 Разработка функциональной схемы
Функциональную схему можно условно разбить на блоки:
блок центрального процессора;
блок ввода и преобразования аналоговых сигналов;
блок ввода-вывода дискретных сигналов;
линейные модули;
блок гальванических развязок.
3.3.1 Блок центрального процессора
Блок центрального процессора содержит однокристальный микроконтроллер КР1816ВЕ51, далее - контроллер, микросхему ППЗУ и устройства сопряжения. Для обеспечения доступа к памяти на разрешающий вход микросхемы ППЗУ - К537РФ6 заведен стробирующий выход адреса контроллера ALE, который свидетельствует об установке адреса ячейки памяти ППЗУ на шине адреса. При наличии сигнала выбора микросхемы для ППЗУ, оно (ППЗУ) выставляет на шину данных содержимое ячейки по указанному адресу. В остальных случаях выходы микросхемы памяти находятся в высокоимпедансном состоянии.
Также один из портов контроллера используется как вход от блока ввода и преобразования аналоговых сигналов, как строб завершения преобразования.
Четыре бита этого же порта используются для управления и опроса блока ввода дискретных сигналов, причем два бита - как управляющие и два как информационные.
3.3.2 Блок ввода и преобразования аналоговых сигналов
Базовым элементом блока ввода и преобразования аналоговых сигналов является аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует сигнал постоянного двуполярного тока в цифровой десятиразрядный двоичный код.
При поступлении сигнала на разрешение преобразования от контроллера АЦП замеряет сигнал на входе, и после завершения преобразования вместе с сигналом “Конец преобразования” выставляет на шину данных код.
3.3.3 Блок ввода-вывода дискретных сигналов
Блок ввода дискретных сигналов предназначен для ввода, нормализации и гальванической развязки сигналов от дискретных датчиков. Блок ввода дискретных сигналов работает совместно с выносными линейными модулями, объединение которых производится двухпроводной линией связи.
Опрос датчиков осуществляется последовательно время-импульсным квитированием сигналов. Цикл опроса разбит на 2 временных интервала - подготовительный и контрольный. Подготовительный сигнал необходим для заряда линейных модулей. Контрольный интервал разбит на 64 временных позиции, 62 из которых несут информацию о состоянии датчиков, 2 позиции выделены для контроля обрыва проводов линии связи.
Блок ввода дискретных сигналов формирует в линию связи специальные положительные и отрицательные импульсы. Импульсами положительной полярности пpоизводится питание и синхронизация pаботы модулей линейных. Ответные импульсы от модулей линейных фоpмиpуются во время пpохождения импульсов отрицательной полярности.
3.3.4 Математическое описание асинхронного двигателя
Асинхронная машина представляет собой систему, как минимум двух обмоток, одна из которых расположена на неподвижной части (статоре), другая на вращающейся части (роторе) машины. Момент машины образуется в результате взаимодействия токов в этих обмотках. Трехфазная обмотка статора подключается к питающей сети, трехфазная обмотка ротора замкнутая. Обмотки статора и ротора магнитосвязаны, поэтому потокосцепление обмотки статора определяется как токами, протекающими по трем фазам обмотки статора, так и токами фаз ротора. Это же относится и к обмотке ротора. Таким образом, имеются две трехфазные обмотки, вращающиеся одна относительно другой. Если к обмотке статора приложено трехфазное напряжение, а обмотка ротора замкнута, то мгновенные значения фазных напряжений статора и ротора задаются следующими уравнениями:
Исходя из теории результирующего вектора, описанной в [ ], умножим первое и четвертое уравнения системы (1) на
, второе и пятое на 
, третье и шестое на 
. Суммируя полученные произведения, получим: 
, или 
где потокосцепления Y1 и Y2 зависят от токов ротора и статора, а также от индуктивностей обмоток машины.
Определим величины потокосцеплений статора и ротора. Предположим, что статор и ротор трехфазного асинхронного двигателя имеют симметричные обмотки, воздушный зазор по всей окружности ротора одинаков, магнитное поле в воздушном зазоре распределено синусоидально, оси обмоток статора и ротора не совпадают, образуя произвольный угол j (рис. 1).
Устанавливаем величину полного магнитного потока, сцепленного со статорной обмоткой фазы A. Для этого учитываем магнитные поля, созданные фазными токами I1A, I1B, I1C. Принимаем, что индуктивности фазных обмоток статора одинаковы и равны l1, взаимные индуктивности фаз A-B, A-C и B-C также одинаковы и равны l0 (по условиям симметрии асинхронной машины). Тогда общий магнитный поток, сцепленный со статорной обмоткой фазы A выразится следующим образом:
.Подставив вместо I1C величину (-I1A-I1B) (так как сумма фазных токов асинхронного двигателя равна нулю), получим:
.Проделав аналогичные операции с фазами B и C, запишем следующую систему уравнений:
Заметим, что индуктивность фазной обмотки статора включает в себя индуктивности от полей рассеяния и от главного потока, то есть
l1=l1l+l10 (4).
Так как, в общем случае, взаимная индуктивность двух обмоток со сдвинутыми на некоторый угол осями равна произведению взаимной индуктивности, которая имела бы место при совпадении осей обмоток, на косинус угла между осями, то взаимную индуктивность можно выразить соотношением: