Лабораторный стенд по исследованию вентильного двигателя

Вид работы: Лабораторный стенд

Тема: Исследование вентильного двигателя

Уважаемые члены аттестационной комиссии,

Моя фамилия________________

Разрешите представить дипломную работу на тему:  «Лабораторный стенд по исследованию вентильного двигателя, управляемого микроконтроллером со встроенным полупроводниковым коммутатором, с разработкой стенда».

Проделав данную дипломную работу, мною были рассмотрены  основы  — изучения лабораторного стенда по исследованию вентильного двигателя, управляемого микроконтроллером со встроенным полупроводниковым коммутатором, с разработкой стенда.

В первой части данной дипломной работы, были рассмотрены – основы изучения лабораторного стенда по исследованию вентильного двигателя, управляемого микроконтроллером со встроенным полупроводниковым коммутатором, с разработкой стенда».

1) Появление магнитов высокой энергии основанных на редкоземельных металлах и сильно точной электронике привело к широкому применению в составе авиационных приводов бесколлекторных вентильных электродвигателей (ВД) с полупроводниковым коммутатором. Вентильные двигатели заменили обычные электродвигатели постоянного и переменного токов, превосходя их по рабочим характеристикам и многим параметрам. Главное, они отличаются более высокой динамикой и быстродействием, точностью позиционирования. Широким диапазоном изменения частоты вращения. Особо важными являются  бесконтактность и отсутствие узлов, требующих техобслуживания, это бесколлекторная машина.

2) Цель данной дипломной работы — разработка и сборка  лабораторного стенда, показывающего работу вентильного бездатчикового двигателя с управлением микроконтроллером TDA5145T.

3) Задачи данной дипломной работы:

Рассмотрение алгоритмов бездатчикового управления ВД

Рассмотрение способов регулирования оборотов вала ВД

Разработка стенда;

Сборка стенда;

Стенд предназначен для проведения лабораторных работ студентами.

Стенд даёт возможность снимать параметры работы двигателя и коммутатора. Это позволяет получить большой объём информации о работе вентильного двигателя.

Вентильные двигатели на ВС с  управлением микроконтроллером и датчиками положения ротора используются в следующих системах:

— ПАБ-204 (балансировка стабилизатора ТУ -204)

— ПРТ-204 (автомат тяги авиадвигателя  ПС-90 с ТУ-204)

-МПП (МПЗ)-204 (электромеханизм с ВД для электропривода предкрылков и закрылков самолета Ту-204СМ)

-МРТ-96 (автомат тяги с ИЛ-96-300)

Вентильные двигатели получают всё большее распространение. Студенты должны изучать современные технологии, вовремя приобретать необходимые знания. Для этих целей будет служит данный стенд.

В последнее время электропривод подвергся серьезным изменениям, и основной причиной стали успехи силовой электроники. Появились транзисторы, которые переключают с частотой десятки килогерц токи в сотни ампер, стали основным элементом контроллеры на микропроцессорных базах, позволяющие легко решать труднейшие задачи управления.

Устарели технические решения, позволяющие регулировать неприспособленный для этого при имевшихся технических средствах асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Стали дорогими и громоздкими электроприводы с многоскоростными асинхронными двигателями, с двигателями с фазным ротором. Сильно сократилось производство электроприводов постоянного тока, в течение длительного времени практически не имевших конкурентов в классе регулируемого электропривода.

Победу над всеми конкурентами в классе регулируемого электропривода одержал частотно-регулируемый асинхронный электропривод с современными преобразователями частоты. В последнее время на основе систем векторного управления создано множество приводов с прямым цифровым управлением моментом. Выдающейся особенностью этих решений является максимально высокое быстродействие контуров тока, реализованных, как правило, на базе цифровых релейных регуляторов. Системы прямого цифрового управления моментом разработаны в основном для транспорта, на использование в лифтах, робототехнике.

Вентильные двигатели (ВД) считаются в наиболее перспективными электромеханическими преобразователями.

Можно выделить четыре основных элемента ВД

1) Электромеханический преобразователь (электрическая машина ЭМ).

2) Инвертор, выполняющий функции коммутатора, подключающий и от-ключающий фазы электродвигателя от источника питания по определенному алгоритму. Отдельно выделена в виде блока силовая часть — К.

3) Датчик положения ротора (ДПР).

4) Система управления ключами инвертора СУ, обрабатывающая сигналы, поступающие с датчика положения ротора и других датчиков.

Область применения электрического привода на транспорте, в промышленности и в быту постоянно расширяется. Сегодня подавляющая часть всей вырабатываемой в мире электроэнергии потребляется электродвигателями. Поэтому, эффективность энергосберегающих технологий в существенной мере определяется эффективностью электропривода.

Появление магнитов высокой энергии на основе редкоземельных металлов  обусловило широкое применение в составе авиационных приводов бесколлекторных вентильных электродвигателей (ВД) с полупроводниковым коммутатором.

Сильное развитие электроники, появление мощных процессоров с огромным быстродействием,  создание специальных контроллеров, направленных на управление приводами конкретных типов привело к очередному скачку в создании вентильных приводов. Стало возможно создание программного обеспечения и перенос ряда задач, которые выполнялись раньше при помощи дополнительных устройств, на программное обеспечение.

В данной дипломной работе разрабатан стенд управления вентильным  двигателем  ДБ 32-25-12 на базе микроконтроллера TDA5145T со встроенным полупроводниковым коммутатором и бездатчиковым управлением.

Лабораторный стенд позволяет проводить занятия по изучению вентильного двигателя и способам бездатчикового управления, а также производить изучение линейного регулятора оборотов и ограничителя тока.

Широтно-импульсный преобразователь постоянного тока представляет собой мостовой реверсивный преобразователь постоянного напряжения. В отличии от получившего широкое распространение в промышленности тиристорного преобразователя, ШИП не нуждается в установке трансформатора или токоограничивающего реактора со стороны сети и синхронизации с сетью, может работать от сети постоянного тока, имеет лучшие показатели быстродействия. На сегодняшний день ШИП–ДПТ вытесняет другие преобразователи в ряде отраслей машиностроения, металлургии, на транспорте. Его применяют в следующих случаях:

1) Когда необходимо высокое быстродействие и высокий диапазон регулирования  —  механизмы подач в прецизионном машиностроении);

2) Для бесконтактного регулирования скорости в установках с автономными источниками питания (механизмы напольного транспорта, строительные, дорожные машины);

3) В электроподвижном составе (троллейбусы, трамваи). Диапазон мощности двигателей  —  от единиц до сотен киловатт. Неотъемлемой частью любой современной системы управления вентильным двигателем является микроконтроллер, на базе которого можно реализовать не только систему управления ключами преобразователя, но также расчет и индикацию скорости вращения, разгон и торможение двигателя с заданной интенсивностью, замкнутую по скорости или напряжению систему управления и многое другое.

Определение. Вентильный двигатель представляет собой электромеханическую систему, состоящую из электрической машины ЭМ и полупроводникового коммутатора фазных обмоток К, управление ключами которого производится системой управления СУ в зависимости от положения ротора.

Информация о положении ротора может быть получена с помощью датчика положения ротора ДПР или программно после обработки сигналов ЭДС рабочей обмотки.

Особенности ВД

Общие особенности

1) Наличие инвертора

2) Наличие обратной связи.

3) В понятие «ВД» входит совокупность ЭМ, инвертора и, в большинстве случаев ДПР. По существу ВД является электроприводом.

Достоинства и недостатки ВД

4.1 Достоинства ВД

ВД обладают основными достоинствами КДПТ и АД и не имеют их недостатков. Часть достоинств ВД зависит от типа электрической машины, применяемой в ВД.

Перечислим достоинства ВД на базе синхронных машин с возбуждением от высококоэрцитивных постоянных магнитов Nd-Fe-B :

1) Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания (нет щеточно-коллекторного узла и контактных колец).

Это достоинство присуще также АД с короткозамкнутым ротором и отсутствует у КДПТ и АД с фазным ротором. Обмотка якоря СДПМ может быть запитана более высоким номинальным напряжением, поэтому конструктивная постоянная момента Cm ВД существенно превышает аналогичную величину классических машин постоянного тока, что позволяет использовать при подключении ВЭП кабели меньшего сечения и преобразователи электрической энергии на меньшие токи.

В результате:

1) Существенно повышается ресурс и надежность электропривода. Наработка на отказ составляет 10000 ч и более.

2) Упрощается эксплуатация двигателя. У КДПТ изнашиваемость щеток при эксплуатации требует проверки их состояния и замены через определенное время.

3) Появляется возможность использования ВД во взрывоопасной и агрессивной среде.

4) Вентильная коммутация тока в обмотках допускает значительное напряжение между выводами — до нескольких тысяч вольт. Обычный механический коллектор удовлетворительно работает при напряжении между коллекторными пластинами не более 30 — 32 В.

5) Широкие возможности по регулированию выходных показателей электропривода при относительной простоте реализации системы управления.

Простота реализации различных видов механических характеристик, требуемых исполнительными механизмами.

Превосходит по этому качеству АД (у ВД возможно эффективное управление по напряжению), частотно-управляемый АД (у ВД более простая схема преобразователя) и ДПТ (возможность векторного управления).

6) Обеспечивается широкий диапазон регулирования частоты вращения. Имеется возможность оптимизации режимов работы при изменении скорости и нагрузки. Это также способствует повышению ресурса электродвигателя и всего агрегата.

7) Более низкий перегрев ВД по сравнению с АД при одинаковой мощности и одинаковых размерах.

Перегрев в этом случае зависит от потерь, величина которых тем меньше, чем выше КПД. Это увеличивает ресурс изоляционных материалов, а значит и срок службы электропривода в целом. Это позволяет электроприводу работать в нестандартных режимах с возможными перегрузками.

8) Меньшие масса и габаритные размеры.

Более высокий КПД и соsφ, то есть меньшие потери, позволяют для фиксированной мощности спроектировать двигатель меньших размеров по сравнению с АД. Это обеспечивается возможностью реализации более высоких значений линейной нагрузки и тех же значений индукций в воздушном зазоре (порядка 0,6-0,8 Тл) (при использовании высококоэрцитивных магнитов).

8) Высокое быстродействие; точность позиционирования.

Обусловлено малой массой, а значит малым моментом инерции ротора и большим пусковым моментом.

9) Минимальное значение токов холостого хода.

Отсутствует у АД, у которых он расходуется на проведение магнитного потока.

Позволяет достаточно точно измерять нагрузку на привод (пропорциональную току) и оптимизировать режим работы.

10) Линейность характеристик.

Принцип действия ВД. Чтобы двигатель устойчиво вращался, необходимо, чтобы он развивал однонаправленный вращающий момент с минимумом пульсаций. Минимум пульсаций момента будет способствовать плавности хода двигателя.

В обмотку якоря от источника питания подается ток. В зависимости от распределения тока по катушкам в зубцовой зоне статора образуется полюсная система статора (электромагниты), создающие магнитный поток (поле) статора.

Магнитный поток возбуждения создается либо постоянными магнитами, либо обмоткой возбуждения.

При совместном действии потоков возбуждения и потоков от токов статора силовые линии магнитного поля в воздушном зазоре изгибаются.

Реализуется известный принцип: разноименные полюса притягиваются, а одноименные полюса отталкиваются. Возникающий момент стремится развернуть ротор так, чтобы вектора потоков якоря и возбуждения совпали. Возникающий момент будет стремиться развернуть ротор в положение максимального потокосцепления обмоток, по которым течет ток. То есть в положение, когда суммарная длина силовых линий магнитной индукции будет минимальна.

Таким образом, как и во всех двигателях переменного тока, ротор синхронно вращается вслед за вращающимся полем статора. Для вращения поля статора необходимо переключать фазные обмотки статора в такой последовательности, чтобы вектор потока статора вращался перед потоком ротора.

Чтобы знать, на какую фазу (секцию) нужно подключать к источнику питания, необходимо знать текущее положение полюсов ротора (вектора потока возбуждения) относительно осей фаз. Эта информация поступает с ДПР.

Информация с ДПР обрабатывается системой управления, и формируются сигналы управления ключами, которые и обеспечивают включение и отключение ключей и соответствующих фаз в нужной последовательности.

Уровень индукций срабатывания и отключения в зависимости от марки микросхемы может быть разным.

Микросхема Холла является чувствительным элементом датчика положения ротора. Как правило, число микросхем Холла выбирается равным числу фаз. Необходим еще управляющий элемент, который формировал бы магнитный поток изменяющийся в соответствии с положением ротора.

Одним из способов формирования такого потока является создание магнитной цепи ДПР, имеющей свой статор (на котором располагаются микросхемы Холла) и свой ротор. На роторе размещаются полюса, число которых строго соответствует числу основных полюсов двигателя. Разумеется, размеры этой магнитной цепи много меньше основной магнитной цепи. Она располагается на том же валу двигателя.

Другим способом расположения микросхем Холла является размещение их в пределах магнитной цепи статора и использование в качестве управляющего сигнала рабочего магнитного потока двигателя. Такое техническое решение позволяет убрать с вала двигателя якорь ДПР, что упрощает конструкцию. Особенно важным это является для сверхвысокооборотных двигателей, к роторам которых предъявляются особые требования по габаритам, массе и прочности .

Благоприятно сказывается на быстродействии и является возможным в силу чувствительности к направлению магнитного поля.

Следует заметить, что во всех случаях, когда для получения сигналов ДПР используют поле ротора двигателя, информацию получают не о положении индуктора, а о положении результирующего поля двигателя. В маломощных ВД, в которых реакция якоря проявляется мало, это не ведет к значительным погрешностям. В мощных ВД угол нагрузки может достигать 30-40 эл.град, что приводит к изменению вида механической характеристики (которая, как известно, строится при постоянном угле нагрузки).

Достоинства датчиков Холла.

1) Малые размеры (собственно микросхемы  —  до 0,8х0,8х0,1). Благодаря этому микросхемы могут быть встроены в рабочий зазор .

2) Высокая чувствительность к уровню индукции (0,13-0,25Т) , чувствительность к направлению магнитного поля .

3) Хорошая помехозащищенность .

4) Достаточно высокая мощность выходного сигнала, обеспечивающая управление микросхемами логики .

5) Безинерционность, отсутствие запаздывания в канале обратной связи по положению ротора .

Недостатки:

1) Необходимость логической обработки выходного сигнала ДПР .

2) Необходимость использования многопроводного канала связи: два провода для подвода питания к микросхемам и по одному проводу для информационной электрической цепи от выхода каждой микросхемы .

При использовании магнито- и фотодиодов, следует учитывать, что они обладают большим внутренним сопротивлением в открытом состоянии и термонестабильны .

Демонстрационный стенд ВД. Основным предназначением стенда является демонстрация работы вентильного двигателя пред студентами с целью показать его преимущества. Также для повышения уровня знаний студентов относительно устройства ВД и алгоритмов его запуска и работы.

Технические требования

— вентильный двигатель — объект исследования;

-тормозное устройство — предназначено для создания тормозного момента на валу вентильного двигателя;

— опора для двигателя;

— вертикальная плоскость стенда со схематически изображёнными на ней двигателем, платой управления, выведенными с платы контрольными точками. К ней с помощью разъема подключается разработанная плата управления ВД;

— разработанная выносная электрическая плата управления –закреплена в коробочке, на переднюю сторону которой вынесен амперметр постоянного тока, клеммы для подключения питания, кнопка пуска, регулятор оборотов, регулятор величины ограничения тока и разъем для подключения к вертикальной плоскости стенда или ВД.

— блок питания со встроенным вольтметром – предназначен для выставления напряжения питания;

— осциллограф – предназначен для: определения частоты вращения ВД; косвенного определения величины и формы тока в конкретной фазе;выведения на экран формы обратной ЭДС выбранной фазы; вывода линейного напряжения в процессе запуска;

— микроконтроллерTDA5145t со встроенным полупроводниковым коммутатором, установленный на плате.

Подключение производится по электрической схеме стенда.

Питание стенда

От сети постоянного тока в пределах от 5 до 18 В.

2.3. Условия эксплуатации

температура окружающей среды 25;

относительная влажность воздуха 65%.

2.4. Требования к надежности

Надёжность стенда должна определяться надёжностью используемых здесь заводских серийных элементов. Монтаж их на стенде, использование дополнительных элементов не должен снижать средней наработки на отказ более, чем на 5%.

2.5. Требования к технологичности

Стенд должен обеспечить быстрое и надежное подключение вентильного двигателя и источника питания к плате управления.

2.6. Требования безопасности

Исключить возможность соприкосновение оператора с участками схемы под напряжением.

Результат — один из трех трендов: без изменений, положительный,

Прикрепленные файлы:

_k_Diplomnoj_rabote_Laboratornyj_stend_po_is