Система управления электромеханическим стабилизатором напряжения переменного тока

 

 

 

 

 

 

 

Тема «Система управления электромеханическим стабилизатором напряжения переменного тока»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Введение

1.1  Стабильность напряжения  равно безусловная экономия  

        1.2 Основные области экономии

2 Постановка задачи

       2.1 Анализ предпроектной ситуации

        2.2 Постановка задачи проектирования

         2.2.1 Обоснование актуальности разработки

        2.2.2 Краткий обзор методов решения аналогичных задач

        2.2.3 Краткая характеристика выполненной работы

        2.3 Техническое задание

        2.3.1 Назначение разработки

        2.3.2 Основные функции

        2.3.3 Технические требования

        2.3.4  Требования к интерфейсу

        2.3.5  Требования по безопасности

       2.3.6 Требования к документации

        2.3.7 Требования к надежности

        2.3.8 Дополнительные и специальные требования

3 Выбор электродвигателя

      3.1 Шаговый двигатель

      3.2 Виды шаговых двигателей

      3.2.1 Двигатели с переменным магнитным сопротивлением

      3.2.2 Двигатели с постоянными магнитами

      3.2.3 Гибридные двигатели

      3.3 Типы шаговых двигателей

      3.4 Способы управления фазами шагового двигателя

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  Введение

 

1.  Стабильность напряжения равно безусловная экономия

 

 

Все предприятия желают контролировать себестоимость своей продукции, для того чтобы сохранить или укрепить свою позицию на рынке. Написано множество трудов по контролю себестоимости, в которых изучены разнообразные ситуации и даны разумные предложения.

 Между тем, было сказано недостаточно о перерасходе электрической энергии в результате перенапряжения.

Приведём простейший пример. Любой электрический аппарат, рассчитанный на 220 В и получающий питание в 230 В, потребляет на 9% больше энергии, чем необходимо.

Хотя это и не имеет широкой огласки, электрические компании в нашей стране, в рамках установленных ограничений, поднимают напряжение в низковольтных сетях с 220\380 В (+\-7%), что было до недавнего времени обычным, до 230\400 В (+\-10%). Это означает, что множество моторов, осветительных систем и основная часть электрооборудования, рассчитанного на напряжение 220 В, будет потреблять (и это будет оплачено) значительно больше энергии, чем необходимо.

Кроме того, не секрет, что величина напряжения в сети не является постоянной в течение дня. Это не только избыточное, но и зачастую недостаточное напряжение в сети.

Давайте вкратце рассмотрим разные электрические устройства и тот эффект, который оказывает на них избыточное и недостаточное напряжение в сети.

 

В электродвигателях, пусковой момент изменяется в зависимости от напряжения следующим образом. Если напряжение ниже номинального на 10 %, момент падает на 20 % и нагрев обмоток возрастает приблизительно на 7 градусов. Если же напряжение выше номинала на 10 %, ток вырастает на 12 %, нагрев на 10 градусов и потребление энергии на 21 %.

Теперь рассмотрим осветительное оборудование. Повышенное на 10 % напряжение увеличивает световой поток на 30 % и снижает ресурс лампы, в среднем, на 40 %. Расход энергии при этом возрастает на 21 %. Снижение напряжения на ту же величину приводит к потере излучаемого света в размере около 30 %.

В оборудовании, в состав которого входят нагревательные элементы, недостаточное напряжение (-10%) приводит к тому, что операции, на которые должно затрачиваться 4 часа, будут продолжаться 5 часов, так как количество получаемого тепла также изменяется  пропорционально квадрату напряжения.

Мы не будем продолжать этот список, так как всё вышесказанное хорошо известно инженерам и, кроме того, зачастую подобного рода измерения просто не снимаются из-за пренебрежения руководителями предприятий мерами по стабилизации напряжения.

Поскольку проблема не нова, инженеры уже давно занимаются решением проблемы стабилизации напряжения.

Стабилизатор напряжения – это устройство, гарантирующее получение стабилизированного в оговорённых пределах напряжения, и может быть выполнено с использованием различных технологий, актуальных на сегодняшний день.

Стабилизатор напряжения, будь он поставлен для питания всей электрической системы или какой-либо её части, способен дать:

Экономию энергии благодаря устранению фактора излишне высокого напряжения.

Рост ресурса и производительности оборудования благодаря тому, что устройства не подвергаются неожиданным изменениям  напряжения питания и работают на том напряжении, для которого они разработаны.

Так как возрастает ресурс устройств, процесс замены отдельных узлов или аппаратов в целом также замедляется, благодаря долгому сохранению ими работоспособности. Количество поломок и отказов также снижается благодаря устранению фактора перенапряжения.

Стабилизатор напряжения может дать значительную экономию в условиях, когда управление энергозатратами является ключевым моментом в общественной  и частной сферах человеческого существования.

Кроме того, усилия компаний-поставщиков электроэнергии не могут гарантировать постоянного по величине напряжения потребителям: эта проблема не может быть решена ими из-за перепадов в нагрузке, значительной протяжённости линий и высокого потребления энергии предприятиями, что приводит к значительным изменениям величины напряжения в сети, в сумме трансформируется в постоянные перепады напряжения питания, вызывающие серьёзные проблемы, зачастую необратимые, у чувствительного оборудования:

2.  Основные области экономии

В случае, когда для питания критичной нагрузки требуется отфильтрованное, стабильное напряжение и единственным источником электроэнергии является сеть, стабилизаторы напряжения  дают наиболее удовлетворяющее предъявляемым требованиям напряжение питания.

Наиболее выдающиеся характеристики этих стабилизаторов, такие как широкий диапазон входного напряжения при высокой точности и стабильности напряжения на выходе, позволяют им питать любую критичную нагрузку.

 

Таким образом, среди других возможных приложений мы можем отметить:

 

• Телекоммуникации, радиокоммуникации и передатчики
• станки
• освещение
• контрольное оборудование и производственные процессы
• компьютеры и вычислительные центры
• компьютерная периферия
• электронное оборудование
• лабораторное и тестирующее оборудование
• электрические печи
• установки электролиза
• любое электрическое и электронное оборудование подверженное изменениям в питающей сети.

2.  Постановка задачи

1.  Анализ предпроектной ситуации

Присутствующие в настоящее время на рынке электротехнической продукции стабилизаторы напряжения переменного тока можно условно разделить на следующие типы:

— Электромеханические стабилизаторы, представляют собой следящую систему с использованием электродвигателя и автотрансформатора. Такая система позволяет непрерывно и плавно регулировать выходное напряжение без искажения синусоидальной формы. Работоспособна и безопасна в промышленном применении, где скорость отработки сигналов о выходном напряжении может быть невысокой. При этом гарантируется мощный выход, высокая устойчивость системы и надёжность.

 К недостаткам  относятся инерционность установления  выходного напряжения при резких изменениях входного, наличие подвижных механических деталей, подверженных износу и требующих регулярного обслуживания,  низкое быстродействие,

— Стабилизаторы со ступенчатым регулированием, представляют наиболее широкий класс устройств, обеспечивающих поддержание выходного напряжения с определенной точностью. Принцип стабилизации основан на автоматической коммутации (переключении) секций (обмоток) автотрансформатора (или трансформатора) с помощью силовых ключей (реле, тиристоров, симисторов). В силу ряда достоинств (высокое быстродействие; широкий диапазон входного напряжения; возможность работы на холостом ходу, отсутствие искажений  синусоиды напряжения; широкий диапазон нагрузки (от 0 до 100%); высокое значение КПД; возможность экономии затрат на электроэнергию) ступенчатые корректоры напряжения нашли наибольшее распространение на рынке стабилизаторов. Но по  своей природе  являются более чувствительными к внешним воздействиям, если не предусмотрена соответствующая система защиты.

 

— Стабилизаторы с подмагничиванием, компенсируют изменения напряжения в сети путем регулирования коэффициента трансформации за счет локального подмагничивания стержней автотрансформаторов со специально выполненным магнитопроводом и системой обмоток. Подмагничивание осуществляется с помощью тиристорного регулятора. Такие стабилизаторы характеризуются высокими перегрузочными способностями, но имеют ограниченный диапазон регулирования, высокую себестоимость и материалоемкость, искажают синусоидальную форму напряжения, более низкий КПД по сравнению с предыдущими типами.

 

Благодаря своей эффективности,  достаточно низкой стоимости в сравнении с другими типами стабилизаторов и широте функциональных возможностей на рынке стабилизаторов пользуются  спросом стабилизаторы ступенчатого электромеханического типа.

Управление электродвигателем  наиболее эффективно можно организовать при помощи  микро-ЭВМ — программируемых микроконтроллеров. Это позволяет сделать стабилизатор «интеллектуальным» устройством и свести участие оператора в контуре управления к минимуму.  Системы с программным управлением обладают высокой гибкостью, что немаловажно в условиях рынка.

 

2.  Постановка задачи проектирования

2.2.1 Обоснование актуальности разработки

Задача разработки электромеханического  стабилизатора переменного напряжения возникла в результате анализа проведенного инженерами конструкторско-технологического отдела научно-производственного предприятия “ИНТЕПС”.

На данный момент, фирмой ИНТЕПС производятся только стабилизаторы напряжения со ступенчатым (тиристорным) регулированием напряжения. Производство электромеханического стабилизатора позволит фирме расширить ассортимент продукции и тем самым предложить потребителю более широкий выбор  для  обеспечения нужных ему параметров стабилизации напряжения. Использование только  стабилизаторов с тиристорным регулированием не позволяет обеспечить:

• более плавного  изменения выходного напряжения без искажения синусоидальной формы.

• возможность работать с кратковременными  большими перегрузочными способностями (по причине наличия силовых ключей).

• низкий  уровень защищенности от переходных процессов протекающих в питающей сети.

Исходя из этих недостатков, была поставлена задачи разработки экономически выгодного, с большой перегрузочной способностью, достаточно защищенного от питающей сети   электромеханического стабилизатора переменного напряжения.

 

 2.2.2  Краткий обзор методов решения аналогичных задач

 

Аналогичная задача по плавной стабилизации напряжения решается путем применения серво привода с преобразованием вращающегося движения в поступательное.

На рисунке 1 приведена структурная схема такого стабилизатора. Принцип работы стабилизатора основан на регулировании выходного напряжения с помощью автоматического управления положением щетки токосъемника автотрансформатора в зависимости от значения входного напряжения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 − Стабилизатор напряжения с применением серво привода

Автотрансформатор T1 выполнен на тороидальном магнитопроводе с навитой на нем медной обмоткой, имеющей открытую (неизолированную) дорожку, обеспечивающую электрический контакт с обмоткой при помощи скользящей угольной щетки. Перемещение щетки осуществляется при помощи сервопривода М, управляемого схемой измерения и управления A1.

При включении стабилизатора выключателем SA1 "Сеть" входное нестабилизированное напряжение поступает на схему измерения и управления A1. При значении входного напряжения, не превышающем максимальное (275В), схема A1, управляя реле K1, подает входное напряжение на щетку автотрансформатора Т1. В зависимости от измеренной величины выходного напряжения автотрансформатора схема А1 вырабатывает сигнал управления на сервопривод М, перемещающий щетку токосъемника вперед или назад для регулирования выходного напряжения автотрансформатора (и, тем самым, выходного напряжения стабилизатора). При нахождении входного напряжения внутри рабочего диапазона (165...265В) выходное напряжение будет установлено в пределах 220В(3%).

 

2.2.3 Краткая характеристика выполненной работы

 

В ходе дипломного проектирования была поставлена задача создания стабилизатора со ступенчатым электромеханическим переключателем отводов автотрансформатора, надёжного, сравнительно недорого, с высоким КПД.

При разработке стабилизатора необходимо было решить две задачи. Первое это создать наиболее оптимальный способ коммутации обмоток автотрансформатора. Второе это рассчитать и затем выбрать наиболее подходящим нам  электродвигатель. Создать для этого двигателя систему управления.

Программное обеспечение комплекса выполнено на языке “ассемблер” для микроконтроллеров PIC .

В ходе проектирования был изготовлен рабочий макет для тестирования и демонстрации результатов, проведены тесты программной части, аппаратной и объекта в целом и получены положительные результаты, подтверждающие целесообразность и экономическую выгоду использования разрабатываемого стабилизатора.

 

3. Техническое задание