Электропривод подъемной тележки

• Введение
• Задание на курсовое проектирование: Электропривод подъемной тележки
• 1. Расчет мощности и выбор типа двигателя постоянного тока
• 2. Расчёт катодного дросселя
• 3. Расчёт основных параметров силовой цепи электропривода
• 4. Выбор типа преобразователя
• 5. Расчёт параметров регуляторов автоматизированного электропривода
• 6. Расчет и выбор элементов регуляторов тока и скорости
• 7. Расчетная схема механизма
• 8. Математическая модель расчетной схемы
• 9. Структурная схема механизма
• 10. Разработка принципиальной схемы управления электроприводом и её описание
• Заключение
• Литература
• Введение

Развитие отраслей народного хозяйства тесно связано с совершенствованием систем автоматизированного электропривода, как энергетической основы механизации и автоматизации большого разнообразия технологических процессов в машиностроении, транспорте, энергетике, горнодобывающей и химической промышленности, бытовых установках и т. д.

Рассматривая все многообразие производственных процессов в каждом конкретном производстве можно выделить ряд операций, характер которых является общим для различных отраслей народного хозяйства: это обработка металлов резанием, погрузочно-разгрузочные работы в портах, транспортировка сыпучих материалов, вентиляция и многие другие.

Механизмы, совершающие подобные операции универсальны. К их числу относятся металлорежущие станки, различные краны, пассажирские и грузовые подъемники, различные конвейеры, вентиляторы, насосы и т. д.

Функции и задачи, возлагаемые на эти механизмы, обуславливают большое разнообразие их электроприводов, как в отношении диапазона мощностей, так и в отношении их сложности. Однако в любом случае разработка и проектирование автоматизированного электропривода для этих механизмов требует учета их технологических и конструктивных особенностей.

Задание на курсовое проектирование: Электропривод подъемной тележки

Кинематическая схема привода приведена на рис.1. Технические данные в таблице1.

Наличие зазора в данном механизме обусловлено провисанием каната. При неподвижной тележке необходимо повернуть барабан на угол Z, который определяет в данном случае величину зазора Z_x = ZR_б. При составлении математической модели механизма следует учесть, что силовое воздействие через канат передается только в одном направлении.

Рис. 1.Кинематические схемы механизмов:

1 — двигатель, 2 — редуктор, 3 — барабан, 4 — масса платформы.

Таблица 1 Технические данные к механизму подъемной лебедки.

m₂ — масса груженой тележки;

F_c — сила статического сопротивления;

d_к, L_к, S_к — диаметр, длина, площадь активного сечения каната;

Д_б, J_б — диаметр и момент инерции барабана;

i — передаточное число редуктора;

Z_x — зазор обусловленный провисанием каната перед началом движения.

1. Расчет мощности и выбор типа двигателя постоянного тока Таблица 1.1 Параметры двигателя постоянного тока независимого возбуждения, ПВ = 100%.

где, а — коэффициент схемы, для трёхфазной мостовой (2,34),

Определим типовую мощность трансформатора:

2. Расчёт катодного дросселя Катодный дроссель служит для сглаживания пульсаций тока в цепи якоря двигателя. Амплитуда пульсаций тока зависит от амплитудных значений гармонических составляющих выпрямленного напряжения.

Амплитудные значения гармонических составляющих напряжения U_d,n,m зависят от среднего значения угла регулирования и определяются следующим выражением для симметричной мостовой схемы.

где: U_d0 — средневыпрямленное напряжение при угле регулирования равном нулю; р = 6 — для трёхфазной мостовой схемы;

К — кратность гармоники. В симметричных мостовой наибольшую амплитуду имеет основная первая гармоника К=1. Гармоники более высокой кратности имеют малую амплитуду. Потому расчёт индуктивности дросселя ведётся только по первой гармонике. Из условия длительной работы электропривода на минимальной скорости _min =0,1•_н определяют _max и по приведённой ранее формуле определяют U_d,n,m:

где m — число фаз,

— фазное напряжение.

а — коэффициент схемы, для трёхфазной мостовой (2,34),

Е _d — ЭДС преобразователя.

— эквивалентное сопротивление якорной цепи двигатель — преобразователь:

R_Э= R_дв + R_Т + R_др +d_Хт = 0,1045 + 0,085 + 0,028 +1,05•0,3 = 0,533 Ом;

где R_дв, — активное сопротивление двигателя;

R_т, — активное сопротивление трансформатора;

R_др= Ом, L_др — активное сопротивление и индуктивность дросселя;

х_т=₀L_т — индуктивное сопротивление трансформатора, приведённое к вторичной обмотке;

По известной амплитуде переменной составляющей U_d,n,m и допустимому действующему значению основной гармоники тока ₁ необходимая величина индуктивности цепи выпрямленного тока рассчитывается по формуле:

где ₍₁₎%=2% - для машин бес компенсационной обмоткой;

I_Н — номинальный ток двигателя.

Индуктивность сглаживающего реактора:

L_др=L_d -L_я — L_T = 17,3 — 10,5 — 0,3 = 6,5 мГн, где L_T — индуктивность трансформатора;

L_я — эквивалентная индуктивность якорной цепи двигатель — преобразователь:

где L_дв — индуктивность двигателя;

L_т — индуктивность трансформатора;

По расчётной величине индуктивности L_др и номинальному току выбирается катодный дроссель. Если по расчёту величина L_др окажется отрицательной, то это свидетельствует о том, что при принятом уровне пульсаций катодный дроссель не нужен.

Значения гранично-непрерывного тока якоря двигателя в этом случае можно найти, используя соотношение:

где — граничное значение коэффициента, величина которого определяется в функции угла регулирования;

х_а — индуктивное сопротивление питающей сети. При трансформаторном варианте и мостовой схеме х_а=2х_Т. Если при работе электропривода на минимальной скорости (_max) значение гранично-непрерывного тока I_гр будет меньше тока холостого хода двигателя, то влиянием прерывистого режима тока в электроприводе общепромышленных механизмов можно пренебречь.

3. Расчёт основных параметров силовой цепи электропривода Напряжение преобразователя при работе электропривода в номинальном режиме:

В;

Угол регулирования, соответствующий номинальному режиму работы:

;

По величине номинального угла регулирования следует сделать заключение о запасе по напряжению преобразователя. Электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигатель — преобразователь:

;

электромеханическая постоянная времени электропривода:

;

где — приведённое значение момента инерции привода к валу двигателя.

— передаточное число редуктора,

;

— частота вращения барабана.

4. Выбор типа преобразователя

Тип агрегата: ТЕР 4−63/230 Н-1−2 УХЛ 4

U_H = 220B; f_C = 50Гц; I_Н = 100А; I_{МАХ.ВЫПР.} = 200 А

U_ВЫПР.H = 230B; W_Н = 22 кВт; з = 96%

Принцип рабаты агрегата основан на свойствах и характеристиках управляемых выпрямителей, а также ведомых сетью симметрично управляемых инверторов.

Панель № 1 содержит следующие функциональные узлы:

— систему импульсно — фазового управления — СИФУ;

— регуляторы скорости и тока — РС и РТ;

— функциональный преобразователь ЭДС двигателя ФПЭ;

— блок питания — БП;

— узел защиты и сигнализации.

Панель № 2 содержит следующие функциональные узлы:

— логическое устройство системы раздельного управления (УЛ) с переключателем характеристик (ПХ) и датчиком проводимости вентилей (ДПВ);

— датчик напряжения (ДН), предназначенный для измерения и передачи напряжения (ЭДС) двигателя.

Сливая часть агрегата, выполнена из двух встречно — параллельно включенных трехфазных мостовых тиристорных управляемых выпрямителей, работающая по принципу раздельного управления.

5. Расчёт параметров регуляторов автоматизированного электропривода

В практике проектирования и создания замкнутых автоматизированных электроприводов, общепромышленных механизмов широко применяются многоконтурные системы, или, как их иногда называют, системы подчинённого регулирования. Характерной особенность этих систем является каскадное включение регуляторов, количество которых определяется числом регулируемых координат. При регулировании скорости вниз от номинальной типовая структура системы автоматизированного электропривода является двухконтурной — с контурами регулирования тока и скорости.

Линеаризованная структура схемы двухконтурного автоматизированного электропривода показана на рис. 2.4.1

Рис. 2.4.1 Линеаризованная структура схемы двухконтурного автоматизированного электропривода На рис. 2.4.1 обозначено:

ЗИ — задатчик интенсивности;

РС — регулятор скорости;

РТ — регулятор тока якоря;

— передаточная функция тиристорного преобразователя;

— передаточная функция якорной цепи двигателя;

— передаточная функция двигателя, соответствующая уравнению двигателя электропривода;

w_k(p) — передаточная функция, компенсирующая влияние ЭДС двигателя;

K_I, K — коэффициенты обратных связей по току двигателя и скорости вращения электропривода.

Синтез регуляторов и расчёт их параметров в многоконтурных линеаризованных системах автоматизированного электропривода в настоящее время может быть выполнен в основном двумя способами. В основу предложенного ниже способа положен принцип построения систем подчинённого регулирования — классический выбор параметров регуляторов.

Как известно, при построении систем подчинённого регулирования (СПР) применяются два метода настройки: модульный оптимум «Betraqs optimum» и симметричный оптимум «Simmetrische Optimum». При модульном оптимуме контур регулирования настраивается таким образом, чтобы передаточная функция разомкнутого контура имела вид:

;

Здесь Т — суммарная величина малых постоянных времени динамических звеньев, которые реально существуют в оптимизируемом контуре регулирования и обеспечивают его помехозащищённость; Действие этих звеньев не может быть скомпенсировано регулятором, К_ос — коэффициент обратной связи.

Данному виду передаточной функции соответствует при ступенчатом скачкообразном воздействии переходной процесс с перерегулированием 4,3% и временем достижения первого максимума 4,7•Т.

В случае симметричного оптимума передаточная функция разомкнутого контура может быть представлена следующим образом:

;

В этом случае переходной процесс при ступенчатом входном воздействии имеет перерегулирование 43%, а время достижения первого максимума 9,7 Т .

Передаточная функция симметричного оптимума содержит два интегрирующих звена, поэтому систему, настроенную на данный вид оптимума, иногда ещё называют системой с двукратным интегрированием в отличие от системы с однократным интегрированием (модульный оптимум).

Система с двукратным интегрированием не имеет установившейся ошибки по управляющему воздействию. Установившаяся ошибка отсутствует также и при наличии возмущающего воздействия.

Синтез регуляторов сводится к приведению передаточной функции каждого контура в соответствие с требованиями модульного или симметричного оптимумов и проводится последовательно, начиная с внутреннего.

Контур регулирования тока якоря двигателя.

Контур тока якоря настраивается, как правило, на модульный оптимум. На первом этапе расчёта пренебрегаем влиянием противо ЭДС двигателя.

Желаемая передаточная функция имеет вид:

;

С другой стороны

;

В результате получим:

Положим Т=Т_п; в этом случае будет скомпенсирована постоянная времени Т_Я.

(1)

Где Коэффициент обратной связи по току определяется следующим образом:

;

где U_Pcmax — напряжение насыщения регулятора скорости, как правило, равно 10В;

I_доп — допустимое значение тока якоря I_доп. = I_Н = 2,2 103,4 = 227,5А

Учёт влияния противоЭДС двигателя при расчёте контура тока.

В принципе, для того чтобы учесть обратную связь по ЭДС двигателя, самым распространённым способом компенсации влияния противоЭДС на динамику контура тока является введение положительной компенсирующей обратной связи по скорости вращения (ЭДС двигателя) так, как показано пунктиром на рисунке 2.

;

Часто можно пренебречь первым слагаемым ввиду малости Т_П, тогда

где K_щ — коэффициент обратной связи по скорости, который определяется по формуле:

Контур регулирования скорости.

Контур скорости является внешним по отношению к контуру тока. Если основными требованиями к системе электропривода являются требования динамики, то настройку контура скорости ведут на модульный оптимум. Если определяющими требованиями считаются требования к статике — жёсткость механических характеристик, диапазон регулирования скорости, то настройку контура скорости ведут на симметричный оптимум. Настроим РС на симметричный оптимум.

Желаемая передаточная функция разомкнутого контура скорости имеет вид:

;

Передаточная функция замкнутого контура тока:

;

Согласно теории систем подчинённого регулирования первым слагаемым в знаменателе передаточной функции можно пренебречь. В результате получим:

Найдём передаточную функцию регулятора скорости W_рс(р):

;

Положим Т=2Т_П, тогда двигатель ток дроссель электропривод

;

Таким образом, регулятор скорости представляет собой пропорционально — интегрирующий регулятор (ПИ — регулятор). В заключении отметим, что для СПР, у которой регулятор скорости настроен на симметричный оптимум, с целью уменьшения величины перерегулирования по управляющему воздействию на входе системы ставят задатчик интенсивности ЗИ или фильтр с передаточной функцией:

Примем тахогенератор: Тип: ЕСС 62−4. U_ТГ = 64 В; n_MAX = 1000 об/мин.

Определим коэффициент передачи тахогенератора:

Отсюда определим коэффициент передачи датчика тока:

6. Расчет и выбор элементов регуляторов тока и скорости

Выбор элементов регуляторов тока и скорости в системе подчиненного регулирования выполняется по расчетной схеме рис.2.5.1 и ранее полученным передаточным функциям регуляторов. В расчетной схеме приняты следующие обозначения: BR — датчик скорости; ДТ — датчик тока; ТП — тиристорный (транзисторный) преобразователь.

Рис. 2.5.1

Из структурной схемы рис. 2.5.1 и передаточной функции регуляторов скорости и тока, можно получить расчетные соотношения для определения параметров.

Регулятор тока.

;

Задаваясь значением емкости C_Т, находят величины активных сопротивлений R_1Т и R_3Т.

C_Т =5 мкФ;

Для реализации расчетного коэффициента обратной связи по току К_I при заданном коэффициенте передачи датчика тока К_Т, находится сопротивление R_2Т из соотношения

Регулятор скорости.

Для регулятора скорости аналогично можно записать Здесь К_BR — коэффициент передачи тахогенератора.

Задаваясь значением С_С находят значения сопротивлений R_1C и R_2C.

С_С = 2мкФ;

Для большинства операционных усилителей общепромышленных серий, сопротивления нагрузки не должно быть меньше 2 кОм. Величина емкости конденсаторов не должна быть больше 5мкФ. Сопротивление по не инвертирующему входу усилителя выбирается исходя из условия равенства нулю напряжения смещения от входных токов усилителя.

7. Расчетная схема механизма

Для анализа динамических характеристик производственного механизма необходимо предварительно составить его расчетную схему и определить ее параметры. Расчетная схема должна отражать наличие упругих звеньев в кинематических связях между элементами (массами) механизма. В зависимости от варианта (см. приложение) механизм может быть представлен одной из расчетных схем, приведенных на рис. 3.1.1. Значения параметров расчетной схемы (масс, сил, моментов, коэффициентов жесткости, величины зазора) должны быть приведены к движению одного из элементов механизма. Например, можно выполнить приведение всех параметров к вращательному движению со скоростью ротора приводного двигателя (к оси ротора) (рис. 3.1.1). В этом случае линейно перемещающаяся со скоростью V₂ масса механизма m₂ будет представлена на расчетной схеме приведенным моментом инерции, вычисленным из условия равенства кинетических энергий в установившемся движении.

При этом фактическая сила F_2, приложенная к реальной линейно движущейся массе, представляется на расчетной схеме приведенным моментом M₂, Приведенный момент вычисляется из условия равенства работ, совершенных фактической силой и приведенным моментом за одинаковый период времени при установившемся движении:

Формулы приведения.

Фактическое значение коэффициента жесткости стального каната длиной L и при активной сечении S м² определяется по формуле:

где E = Н/м² — модуль упругости первого рода. Коэффициент жесткости стального вала длиной и диаметром d [м].

8. Математическая модель расчетной схемы

Переходные процессы в линейной системе подчиненного регулирования Структурная схема приведена на (рис. 2.4.1).

— передаточная функция регулятора скорости;

— передаточная функция регулятора тока;

— для контура скорости;

— для контура тока;

U_З.Т._MAX(0) = U_З.C.•К_Р.С.= I_MAX.•К_ОТ

Построение переходных процессов с учетом насыщения регулятора.

Построение переходных процессов момента механизма Систему уравнений (математическую модель), определяющую динамические свойства механизма (расчетной схемы) можно составить, используя второй закон Ньютона, согласно которому скорость изменения количества движения масс (mV, J) равна сумме действующих на массу сил или моментов:

Применяя, соответствующие соотношения к каждой из масс расчетной схемы и определив упругие силы (моменты) как функции разности перемещений масс, получают требуемую систему уравнений.

В учебных целях здесь предлагается составлять математическую модель расчетной схемы в виде системы уравнений Лагранжа 2-го рода [4]:

Здесь W — кинетическая энергия системы; q_s — обобщенные независимые координаты; Q_s— обобщенные силы.

Обобщенные силы Q_s — алгебраическая сумма проекций на координату q_s всех действующих в системе сил. Или, вcе равно, Q_s — эквивалентная сила, совершающая работу, на элементарном перемещении по координате q_s при условии, что остальные координаты системы неизменны. То есть обобщенная сила определяется из соотношения При составлении системы уравнений для расчетной схемы механизма следует рассмотреть два случая: а) зазор выбран; б) зазор не выбран.

В первом случае механизм представляется двухмассовой системой с упругой связью. В качестве независимых координат удобно принять линейные (X₁, Х₂) или угловые (₁,₂₎ — в зависимости от расчетной схемы — перемещения масс. Кинетическая энергия двухмассовой системы определяется известными соотношениями Обобщенные силы Q_x1, Q_x2 устанавливаются из выражений Продифференцируем дважды уравнение (3):

Выразим из первого и подставим в (4):

— из начальных условий

.

9. Структурная схема механизма Структурная схема, соответствующая системе уравнений механизма, должна состоять из элементарных динамических звеньев (интегрирующего, дифференцирующего, апериодического), соединенных связями, определенными полученной системой уравнений. Для составления структурной схемы предварительно должны быть определены входные и выходные координаты расчетной механической системы.

В соответствии ее структурной схемой электропривода входной координатой механической системы является электромагнитный момент приводного двигателя. Выходной координатой принимается скорость механизма (массы m₂).

10. Разработка принципиальной схемы управления электроприводом и её описание Разработанная принципиальная схема обеспечивает требуемые режимы работы электропривода, такие как: пуск, реверс, торможение, переход на пониженную скорость. В схеме предусмотрены устройство защиты, задания скорости, блокировки, сигнализация. Придуманы схемы подключения обмоток возбуждения двигателя и тахогенератора и контрольно-измерительной аппаратуры.

Функциональная схема Функциональная схема реверсивного электропривода приведена на (рис. 4.1.1).

Силовая часть агрегата, выполненная из двух встречно-параллельно включенных трехфазных мостовых тиристорных управляемых выпрямителей, работающая по принципу раздельного управления (без уравнительных токов), подключается непосредственно к сети или через согласующий трансформатор (Т) для агрегатов с U_dH = 230B.

Пропорционально-интегральные (ПИ) регуляторы скорости и тока выполнены соответственно на операционных усилителях (А1) и (А2). Параметры регуляторов определяются величинами сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов в цепи обратной связи.

Выходной сигнал регулятора скорости (сигнал с заданного значения тока) U_РС является задающим для внутреннего токового контура, поэтому ограничение максимальной величины U_РС с помощью резистора R₁₇ соответственно приводит и к ограничению максимально возможного тока якоря двигателя в переходных режимах пуска и торможения или при перегрузках.

Сигнал от задатчика частоты вращения (ЗЧВ), подаваемый на зажим «21» внешнего клеммника, поступает непосредственно на входы усилителя (А1). Усилитель (А1) в этом случае охватывается корректирующей цепочкой обратной связи R10, С4.

Для ограничения углов регулирования, а также выставление начального угла регулирования служит управляющий орган СИФУ, выполненный на операционном усилителе (А5) панели № 1.

Начальный угол регулирования б_НАЧ. = 120 эл. градусов R41, максимальный — б_max. = 150±3 эл. градусов — с помощью резистора R49, а минимальный угол б_min. = 15 ± 3 эл. градусов ограничивается с помощью резистора R50.

Сигнал обратной связи по току формируется с помощью датчика тока (ДТ) питающегося от трансформаторов тока (Т1…Т3).

Реверсирования сигнала обратной связи по току обеспечивается транзисторными ключами (V16) панели № 2.

Управление транзисторными ключами (V16), а также подключение выхода СИФУ к необходимому комплекту тиристоров осуществляется логическим устройством (ЛУ) раздельного управления.

В агрегате предусмотрены следующие виды защит:

— от перенапряжений;

— от токовых перегрузок;

— от недопустимого снижения напряжения в питающей сети;

— устранения «ползучей» скорости при отключении ЗЧВ;

— от радио помех.

Визуальное наблюдение за состоянием агрегата осуществляется при помощи сигнализации, указывающей:

— наличие напряжения на силовых клеммах переменного тока (сеть основная, лампа HL1);

— наличие напряжения питания блока управления агрегатом (агрегат включен, лампа HL2): кроме этого, лампа (HL2) сигнализирует также о готовности агрегата к работе;

— лампа (HL3) осуществляет сигнализацию срабатывания защит (аварийное отключение).

Заключение

В процессе курсового проекта был выполнен расчет мощности электропривода, выбор комплектного преобразователя, расчет основных параметров и анализ динамических характеристик промышленного механизма тележки крана, выполненного по структуре системы подчиненного регулирования с двигателем постоянного тока.

1. Башарин А. В., Новиков А. А., Соколевский Г. Г. Управление электроприводами. — Л: Энергоиздат, 2009. -392 с.

2. Зимин Е. Н., Кацевич В. Л., Козырев С. К. Электропривод постоянного тока с вентильными преобразователями. — м: Энергоиздат, 2001. -192 с.

3. Ильинский Н. Ф., Казаченко В. Ф. Общий курс электропривода: Учебное пособие для вузов. — М. Энергоатомиздат, 2007 — 544 с.

4. Ключев В. И., Терехов В. М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов. — М: Энергия, 2000 — 360с.

5. Комплектные системы управления электроприводами тяжелых металлорежущих станков/ Н. В. Донской, А. А. Куприллов и др.: Под ред. А. Д. Поздеева. — М: Энергия, 2000 — 288 с.

6. Масров А. Г. устройство, основы конструирования и расчет металлорежущих станков и автоматических линий. М., 2006.

7. Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами/Под ред. В. И. Круповича, Ю. Г. Барыбина, М. Л. Самовера — 3изд. перераб. и доп. — М: Энергоиздат, 2002 — 416 с.

8. Чернов Е. А., Кузьмин В. П. Комплектные электроприводы станков с ЧПУ.: Справочное пособие. -Горький: Волго-Вятское изд-во, 2009. — 320 с.