Дипломная работа: Схема автоматического регулирования продолжительности выпечки с коррекцией по температуре во второй зоне пекарной камеры

;

;

;

;

. (6.38)

Результаты расчета представлены в виде графика на рис.6.10.

2.  Для этих же частот построим предельные по условиям насыщения механические характеристики с потокосцеплением Ψm=const, выбранным за предельное. Эти характеристики построим по формуле из [18] при условии Iμ=Iμн=const:

,                             (6.39)

где номинальный намагничивающий ток определен по (6.21):

Результаты расчета представлены в виде графика (рис.6.10).

3.На характеристиках, соответствующих , проводим горизонталь ab (рис. 6.10), соответствующую

.

Точкам любых характеристик с f1min=const, лежащих на линии ab, будет соответствовать условие .

4.  На линии ab задаем Mтр=Mc<Mпред=Mн, т. е. Момент, обеспечивающий устойчивую работу электропривода на нижней скорости. По уравнению для механической характеристике при Ψm=const [18]:

.                                              (6.40)

Найдем Iпред, соответствующее Mпред при  на линии ab и выбранном Iμ:

.

Учитывая, что при  и

,                                               (6.41)

найдем ток статора в расчетной точке:

.

Подставив найденный ток в (6.36), найдем искомый коэффициент усиления ky:

6.4 Построение статических характеристик электропривода

По уравнению (6.19) построим естественную электромеханическую характеристику электропривода:

.           (6.42)

Результаты расчета представлены в виде графика (рис.6.11).

Естественная механическая характеристика была построена в пункте 6.3.

Для построения искусственных статических характеристик на основании структурной схемы запишем выражение для напряжения:

.                           (6.43)

Подставим в (6.43) выражение для тока (6.19):

.                (6.44)

Из уравнения (6.44) выразим U1 и запишем выражение:

.                            (6.45)

При построении искусственных статических характеристик следует учесть ограничение подводимого к электродвигателю напряжения. Напряжение U1 будем ограничивать на уровне U1max=1.1 U1н.

Составим систему уравнений для построения искусственных механических и электромеханических характеристик электропривода:

;

(6.46)

;

;

 .

Построим по системе (6.46) статические характеристики для двух скоростей  и . Результаты расчета представлены в виде графиков (рис. 6.11, 6.12).

6.5 Проверка электродвигателя по нагреву при работе на нижней скорости

Известно, что у само вентилируемых двигателей ухудшаются условия охлаждения при снижении частоты вращения. Поэтому необходимо проверить, соблюдаются ли условия по нагреву при работе на нижней скорости диапазона регулирования. Расчет допустимого момента по условиям нагрева будем

производить по методике, изложенной в [8].

Известно, что лимитирующей по нагреву частью асинхронного короткозамкнутого двигателя в установившемся режиме является изоляция обмотки статора. Среднее установившееся превышение температуры обмотки статора может быть определено по методу эквивалентных потерь, согласно которому уравнение теплового баланса записывается следующим образом:

,                        (6.47)

где: τ∞ – установившееся превышение температуры статора;

  – теплоотдача, зависящая от угловой скорости;

  – коэффициенты внешнего подогрева, учитывающие долю внешних потерь, участвующих в нагревании обмотки статора, в общем случае зависящие от скорости.

,                                   (6.48)

,                                      (6.49)

,

.

Распишем выражения для ΔPM1, ΔPM2, ΔPcm:

 (6.50)

;   (6.51)

,                           (6.52)

где: ΔPсmвн – номинальные потери в стали на вихревые токи;

φ – относительное значение потока;

ΔPсmгн – номинальные потери в стали на гистерезис.

Перепишем (6.42) в виде:

. (6.53)

Для номинального режима уравнение (6.53) примет вид:

,

или

,                                          (6.54)

где: hτ – доля эквивалентных греющих потерь при номинальном режиме.

Поделив почленно (6.53) на (6.54), получим уравнение теплового баланса при частотном управлении в относительных единицах:

(6.55)

Примем допущение [8]:

,                                              (6.56)

где: μ – относительное значение момента.

Подставим (6.56) в (6.55) и выразим μ:

.                         (6.57)

Определим значения постоянных коэффициентов:

;

;

;

;

;

.

Примем из [8] , тогда:

,

.

Выразим из (6.21) формулу для определения относительного тока намагничивания im:

.   (6.58)

Т.к. электропривод работает в установившемся режиме с нагрузками меньше номинальной, то примем φ=im.

Запишем выражение для  – коэффициент изменения теплоотдачи:

,

где: λ0 – коэффициент теплоотдачи для неподвижного двигателя. Примем λ0=0.4 из [8]. Запишем систему уравнений для определения μ:

(6.59)

;

;

;

По системе уравнений (8.37) построим зависимость допустимого по

нагреву момента от частоты питающего напряжения, приняв . Результаты расчета представлены в виде графика на рис. 6.13. Определим, какой допустимый момент можно иметь с АД на нижней скорости диапазона регулирования. . Из рис. 6.13 видно, что μ()≈0.7.

.

Следовательно, данный двигатель удовлетворяет условиям нагрева, т. к. Мдоп>Мсm=5.1H·м

7. АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

7.1 Моделирование динамики технологической установки

Упрощенная структурная схема электропривода представлена на рис. 7.1. Полная структурная схема представлена в графической части (лист 4). Схема управления электроприводом обеспечивает автоматическое регулирование скорости вращения электродвигателя и коррекцию скорости вращения по температуре во второй зоне пекарной камеры. Сигнал задания температуры и задания скорости задаются задатчиками температуры (ЗТм) и скорости (ЗС). Датчик температуры (ДТм) измеряет температуру (Тм) во второй зоне пекарной камеры и преобразует ее в в сигнал обратной связи по температуре с коэффициентом kотм. Регулятор температуры (РТм) формирует закон коррекции по разности сигналов задания и обратной связи. Устройство ограничения У01 ограничивает сигнал с выхода регулятора температуры на заданном уровне. На вход задатчика интенсивности поступает сумма сигналов задания скорости Uзс и коррекции температуры Uктм. Задатчик интенсивности формирует сигнал задания скорости , контролируя интенсивность его нарастания Применение ЗИ необходимо для обеспечения плавного пуска электропривода с контролируемым ускорением. Система управления преобразователя частоты формирует сигналы задания амплитуды напряжения UзU и угловой скорости Uω. Устройство ограничения У01 ограничивает сигнал с выхода регулятора тока (РТ) на уровне допустимого. Сигнал необходимо ограничивать из-за условия ограничения электродвигателя по напряжению. Силовая схема преобразователя частоты (УН, УЧ) представлена безынерционными звеньями (kU, kω), т.к. система управления реализуется на микропроцессорном контроллере с высоким быстродействием, а силовые ключи коммутируют с высокой частотой (5 кГц). Структурная схема асинхронного электродвигателя (графическая часть: лист 4) описывается системой дифференциальных уравнений в операторной форме (6.29). Произведем расчет постоянных времени электродвигателя по уравнениям (6.28):

,

,

,

.

Колебания температуры в зонах пекарной камеры возникает при начальной загрузке печи, когда происходит интенсивное поглощение тепла тестовыми заготовками. Т.к. процессы теплообмена высокоинерционные, то быстро компенсировать изменение температуры невозможно из-за ограниченной величины напряжения, прикладываемого к электронагревателям. Но с другой стороны, для создания оптимального режима выпечки компенсирование изменения температуры можно произвести изменением продолжительности времени выпечки, т.к. этот контур регулирования обладает высоким быстродействием. Также возмущающим воздействием для температуры в пекарной камере является изменение состава тестовых заготовок.

Допустим, что колебания температуры носят периодический характер. Тогда эти колебания можно разложить в ряд Фурье и выделить постоянную составляющую. Коэффициент обратной связи по температуре kотм следует подбирать таким образом, чтобы сигнал задания температуры был равен сигналу, пропорциональному постоянной составляющей температуры. Тогда сигнал рассогласования будет пропорционален изменению гармонических составляющих температуры.

Коэффициент усиления регулятора температуры настраивается так, что при изменении температуры на 10˚ скорость вращения изменялась на 10% номинальной скорости электродвигателя (14.6 с-1), что соответствует напряжению задания скорости ≈1В.

Допустим, выпекается хлеб «Злаковый». Температура во второй зоне пекарной камеры (табл. 1.2) изменяется в пределах 260…280 ˚С. Усредним значение изменения температуры (270 ˚С) и будем считать, что эта температура соответствует постоянной составляющей. Амплитуду первой гармоники примем 10 ˚С. Тогда при сигнале задания температуры 10В (соответствует 270˚С) коэффициент обратной связи по температуре будет:

.

Сигнал рассогласования между заданием и обратной связью

.

Тогда коэффициент усиления РТм:

.

Т.к. при увеличении температуры скорость вращения двигателя должна увеличиваться, а при уменьшении – уменьшаться, то выход РТ должен быть инверсным. Принимаем kТ=-2.7.

Моделирование переходных процессов в электроприводе будем производить при помощи математического программного пакета MATLAB и его приложения SIMULINK, позволяющего реализовать структурную схему. Моделирование будем производить для трех режимов:

1.  Разгон до максимальной скорости, работа на максимальной скорости и торможение до нуля.

2.  Разгон до минимальной скорости, работа на минимальной скорости и торможение до нуля.

3.  Разгон до максимальной скорости и коррекция скорости по температуре.

При рассмотрении первых двух режимов необходимо выявить особенности частотного регулирования, способа управления и особенности системы стабилизации момента с обратной связью по току статора. Поэтому выход регулятора температуры для этих режимов обнулен, т.е. коррекция не действует.

При рассмотрении третьего режима необходимо убедиться в работоспособности устройства коррекции температуры.

Рассмотрим первый режим работы. Результаты моделирования представлены в виде графиков (рис. 7.2-7.17). Как видно из рисунка 7.5, в начальный промежуток времени скорость не изменяется и равна нулю. Обычно такой промежуток времени называют запаздывание. Такой вид кривой скорости объясняется несколькими причинами:

1.  Нагрузка электропривода реактивная и носит знакопеременный характер, что ухудшает условия пуска.

2.  Наличие момента трогания.

3.  Некачественная кривая вращающегося момента (рис. 7.4). Наличие колебательности и медленности нарастания момента.

Некачественность кривой момента можно объяснить следующими причинами. Элекромагнитный момент является функцией тока ротора, магнитного потока и скольжения:

М=Ф*I2*cosφ2.

Т.к. все токи и потоки асинхронного электродвигателя взаимосвязаны, то изменение одних приводит к изменению других, и наоборот. В начальный момент времени магнитный поток стремиться достичь своего номинального значения. Из-за взаимосвязи потока с токами статора и ротора это процесс носит колебательный характер, что в свою очередь вызывает колебания токов статора и ротора (рис. 7.6), что в конечном итоге вызывает колебание момента. Если какими-то либо причинами удалось бы создать начальный магнитный поток на уровне номинального, то кривая момента при пуске имела бы прямоугольный вид. Это предположение косвенно подтверждается на рис. 7.4, где динамический момент при торможении постоянный. Таким образом, напрашивается вывод: чтобы получить хорошие переходные процессы (прямоугольный вид динамического момента, линейную скорость и т.д.), необходимо регулировать магнитный поток и ток статора независимо друг от друга.

Рассмотрим второй режим. Из рис.7.19 – 7.24 видно, что переходные процессы в электроприводе схожи для двух режимов. Разница состоит в том, что во втором случае увеличилась колебательность. На мой взгляд, это объясняется тем, что увеличилось соотношение U/f, т.к. на верхней скорости выход регулятора момента был ограничен предельным значением.

Анализируя работу электропривода в первых двух режимах, можно сделать выводы:

1.  Ускорение при пуске не выходит за границы допустимого значения [адоп]=0.4м/с2.

2.  Электропривод работает устойчиво во всем диапазоне регулирования.

3.  Пусковой момент не превышает 180% от номинального, что соответствует режиму работы ПЧ VLT5000.

4.  Тормозной момент не превышает 160% от номинального, что соответствует мощности тормозного резистора.

Рассматривая третий режим работы (рис. 7.25 –7.26), можно сделать вывод что скорость движения конвейера изменяется по корректирующему сигналу почти мгновенно. Можно сказать, что запаздывание отсутствует.

7.2 Определение показателей переходных процессов

К основным показателям относятся время регулирования, колебательность, перерегулирование.

Показатели качества переходных процессов определим для режимов работы 1 и 2 для кривой скорости.

Для режима работы 1 (рис 7.5):

 Время регулирования: tр=1 с.

Перерегулирование и колебательность отсутствуют.

Определим показатели качества переходных процессов для режима работы 2 (рис. 7.19):

Время регулирования: tр=0.55 с.

Перерегулирование:

.

Колебательность: δ=4.

Таким образом, можно сделать вывод, что система электропривода имеет приемлемые показатели качества переходных процессов.

8. ВЫБОР И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ УСТАНОВКИ

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15