Проектування автоматизованого електропривода візка мостового крану

сповільненням

/33/

і час гальмування

. /34/

Шлях, який пройде візок з вантажем при гальмуванні,

. /35/

Час усталеного руху візка з вантажем

/36/

Як і при розгоні візка з вантажем, так і при розгоні візка без вантажу момент двигуна буде рівним . Тому час розгону

/37/

де - кутова швидкість руху візка без вантажу,

.

Шлях, який пройде візок без вантажу за час розгону,

. /38/

Для забезпечення гальмування візка без вантажу зі сповільненням динамічний момент повинен дорівнювати

/38, а/

>, тому при гальмуванні треба включити гальмо з моментом

. /39/

Час гальмування

, /40/

Шлях візка без вантажу при гальмуванні

. /41/

Рис. 4.

Час усталеного руху візка

/42/

Час паузи

. /43/

За розрахунковими даними будують навантажувальну діаграму двигуна і тахограму швидкості (рис.4).

На підставі навантажувальної діаграми визначають еквівалентний момент з врахуванням погіршення охолодження при пуску і гальмуванні:

/44/

де коефіцієнт погіршення тепловіддачі, який визначають за формулою

/45/

де =0,95 - коефіцієнт погіршення тепловіддачі при нерухомому роторі закритого двигуна 2ПБ112МУХЛ4; дійсна кутова швидкість, .

Уточнену тривалість включення визначають за формулою

.

Зведений до еквівалентний момент

.

, тому потужність двигуна 2ПБ112МУХЛ4 відповідає умовам його роботи.

4. Обґрунтування і вибір способу регулювання швидкості двигуна

Визначальним при виборі способу регулювання швидкості двигуна є діапазон регулювання, плавність, економічність і точність.

Діапазон регулювання визначають сукупність технологічних процесів, які повинен виконувати виконавчий механізм. Так, в задовольняли верстатах швидкість електропривода необхідно регулювати в залежності від виду оброблюваного матеріалу, геометрії різця, розмірів деталі, що обробляється, чистоти обробки та інших чинників. Швидкість, з якою повинен працювати привод димососа котельної, залежить від якості палива, умов горіння та продуктивності котла. В ліфтах, підйомниках і транспортних механізмах необхідно зменшувати швидкість при підході до зупинки, щоби забезпечити плавну і точну зупинку. У цих та багатьох інших механізмах досягнення високої продуктивності і високої якості роботи забезпечується відповідним регулюванням кутової швидкості двигуна.

Згідно завдання діапазон регулювання Д=55.

Плавність регулювання характеризує стрибок швидкості при переході від даної швидкості до наступної. Вона може бути плавною або ступінчастою. Щоби забезпечити високу гнучкість керування, зазвичай, вибирають плавне регулювання. Ця умова визначає засоби зміни швидкості, тобто тип задавача швидкості. Плавне регулювання забезпечує аналоговий задавач швидкості у вигляді змінного резистора, включеного за схемою подільника напруги.

Економність регулювання визначається вартістю засобів регулювання і втратами енергії при регулювання. Вартість засобів регулювання залежить від вибору способу регулювання швидкості двигуна. Так, вартість засобів регулювання швидкості двигуна постійного струму незалежного збудження зміною напруги на якорі значно вища, ніж регулювання струмом збудження, бо потужність кола збудження складає лише потужності кола якоря. Діапазон регулювання струмом збудження не перевищує 4. Тому при більшому діапазоні вибирають комбіноване регулювання: струмом збудження і напругою на якорі.

При регулюванні швидкості напругою на якорі момент двигуна з незалежною вентиляцією залишається сталим , а потужність зменшується ; при регулюванні струмом збудження потужність стала , а момент зменшується, бо . Отже, вимога виконавчого механізму до зміни моменту двигуна при регулюванні є визначальною при виборі способу регулювання.

Регулювання швидкості шунтуванням обмотки якоря або імпульсним регулюванням опору в колі якоря майже не використовується із-за великих втрат потужності. При сталій напрузі в мережі живлення більш ефективним є широтно-імпульсне регулювання напруги на якорі двигуні. Тому для приводу візка мостового крана (який є навантаженням зі сталим моментом на валу) доцільно використати широтно-імпульсний перетворювач.

Точність регулювання визначає продуктивність роботи виконавчого механізму: чим вона вища, тим вища продуктивність, бо менше знижується швидкість при збільшенні навантаження. В замкнених системах регулювання вибором відповідних законів регулювання можна забезпечити будь-яку точність.

Точність регулювання зв’язана з діапазоном регулювання: чим більший діапазон, тим вища точність. Тому виходячи із аналізу технологічного процесу задовольняли точність регулювання або її вказують в технічних умовах. Знання її необхідне при розрахунках параметрів системи автоматичного регулювання.

5. Вибір системи керування електроприводом

Системи керування регульованим електроприводом призначені для стабілізації швидкості з точністю і обмеження струму двигуна в статичних і динамічних режимах. Системи стабілізації швидкості за типом двигуна і перетворювача поділяються на системи електропривода постійного і змінного струму; за принципом дії - на неперервні (аналогові) і дискретні (цифрові); за принципом регулювання - системи регулювання за відхиленням (статичні і астатичні) і за збуренням, а також комбіновані; за структурою - з сумуючим підсилювачем і підпорядкованим регулюванням координат.

Всі ці системи, зазвичай, доповнюють засобами обмеження струму або моменту двигуна як в статичних, так і в динамічних режимах.

Обґрунтування вибору привода постійного чи змінного струму базується на співставленні їх вартості і економічності роботи, бо за плавністю і діапазоном регулювання вони рівноцінні і дозволяють регулювати швидкість в діапазоні від 10 до 10000 в залежності від потреб виробничих механізмів.

Вартість двигунів постійного струму в 3...4 разів вища вартості трифазних асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором. Вартість же силових перетворювачів приводів постійного струму в 2...3 рази нижча. Більше складною і дорогою є система керування перетворювачами частоти. Оскільки вартість двигуна у вартості привода не перевищує 20%, то регульовані електроприводи постійного струму більш дешеві.

Із перетворювачів змінного струму в постійний найбільш дешевими є перетворювачі з широтно-імпульсною модуляцією. Крім того, вони дозволяють зменшити зону переривчастих струмів.

Біля 60% світового виробництва електричної енергії споживають електродвигуни. Тому економічність роботи (ККД, ) електроприводів є дуже важливою в плані енергозбереження.

Коефіцієнти корисної дії двигунів постійного і змінного струму малої і середньої потужності приблизно однакові. Але ККД перетворювача змінного струму в постійний на 2...3% вищий від перетворювача частоти. На 8 - 10% вищий коефіцієнт потужності приводів постійного струму, бо асинхронні двигуни мають номінальні Отже, електроприводи постійного струму мають дещо кращі енергетичні показники.

При обґрунтуванні вибору принципу дії систем виходять із їх швидкодії і технологічних вимог щодо координації рухів окремих механізмів. В плані діапазону регулювання аналогові і цифрові системи практично рівноцінні, але цифрові системи мають більшу швидкодію і дозволяють краще забезпечувати взаємозв’язаний рух декількох виконавчих механізмів. Тому їх широко використовують в приводах верстатів з числовим програмним керуванням, в приводах роботів та інших складних машин.

За складністю більш простими є аналогові системи керування. За вартістю при використанні мікропроцесорів та інших засобів мікроелектроніки вони майже рівноцінні.

Інколи для підвищення точності регулювання на низьких швидкостях використовують аналого-цифрові системи.

Сучасні системи стабілізації швидкості проектують на підставі принципу регулювання за відхиленням, тобто з від’ємним зворотним зв’язком. В залежності від величини статичної похибки вибирають статичну чи астатичну систему. Астатизм системи досягається введенням в контур регулювання інтегруючої ланки.

При необхідності підвищити швидкодію, особливо при ударному навантаженні, проектують комбіновану систему регулювання, яку створюють на підставі принципів регулювання за відхиленням і збуренням.

Зворотні зв’язки в системах регулювання можуть бути різними. Вид зворотних зв’язків визначають діапазон регулювання і їх технічна реалізація. В залежності від діапазону регулювання в системах стабілізації використовують такі зворотні зв’язки:

від’ємний зворотний зв’язок за ЕРС двигуна ;

від’ємний зворотний зв’язок за напругою перетворювача і додатний - за струмом двигуна ;

від’ємний зворотний зв’язок за швидкістю ;

від’ємний зворотний зв’язок за швидкістю і додатний - за струмом двигуна .

Найбільш дорогим є зворотний зв’язок за швидкістю, бо потрібно використовувати додатково тахогенератор.

При виборі структури системи регулювання - з сумуючим підсилювачем чи з підпорядкованим регулюванням, виходять із простоти налагодження, бо обидві структури можуть забезпечити однакові статичні і динамічні показники роботи. Більш простими в налагодженні є структурні схеми з підпорядкованим регулюванням, бо дозволяють кожний контур налагоджувати незалежно від іншого і це є їх перевагою, але потрібно використовувати більше операційних підсилювачів і тому ці системи дещо дорожчі.

Виходячи з заданого діапазону регулювання Д=55 доцільно вибрати систему стабілізації швидкості зі зворотним зв’язком за швидкістю з сумуючим підсилювачем, оскільки його вартість менша вартості регуляторів швидкості та струму для систем підпорядкованого регулювання. З точки зору економічності оптимальним є електропривод постійного струму з широтно-імпульсним перетворювачем напруги, який дозволяє за рахунок збільшення частоти комутації зменшити величину індуктивності згладжуючого реактора (а відповідно і його вартість).

6. Розрахунки електромеханічних характеристик двигуна і автоматизованого електропривода

Електропривод постійного струму. Натуральна механічна характеристика двигуна постійного струму незалежного збудження описується рівнянням

. /46/

При розрахунках частіше користуються електромеханічною характеристикою, яку одержують з /46/, підставивши :

. /47/

Формула /47/ є рівнянням натуральної електромеханічної характеристики двигуна (Рис.136).

Електромеханічна характеристика автоматизованого електропривода залежить від його структури.

В регульованому електроприводі живлення двигуна здійснюється від перетворювача електричної енергії (ПЕЕ), в якості якого використовуємо перетворювач з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ).

Широтно-імпульсні перетворювачі відносяться до імпульсних систем регулювання напруги постійного струму і забезпечують плавне регулювання кутової швидкості двигуна шляхом періодичного під’єднання якоря до джерела живлення і відмикання від нього. В період відмикання двигун продовжує обертатись за рахунок накопичених кінетичної і електромагнітної енергій.

Рис. 5.

Схема живлення двигуна постійного струму від широтно-імпульсного перетворювача показана на Рис.5, а. Вона складається з узгоджуючого трансформатора Т, випрямляча В, зібраного за трифазною нульовою схемою, транзистора VT - електронного вимикача, згладжуючого реактора і діода VД. Діод VД, шунтуючи коло якоря, утворює коло для струму (Рис.5, б) джерелом якого є ЕРС самоіндукції, яка виникає в колі якоря в період розімкненого стану електронного вимикача. Це створює умови для безперервного протікання струму , що значно зменшує його пульсацію і запобігає виникненню комутаційних перенапруг на транзисторі та на обмотках якорного кола.

Регулювання напруги на якорі досягається змінною тривалості імпульсів (широтно-імпульсна модуляція) при сталому періоді комутації Т. Середнє значення напруги

де стала випрямлена напруга; відносна тривалість імпульсу.

Рівняння електромеханічної характеристики

,

де середнє значення струму, , показує, що змінюючи , можна регулювати швидкість в широкому діапазоні. При цьому жорсткість характеристики не змінюється, за умови неперервного струму якоря. При невеликих струмах запас електромагнітної енергії малий, в період пауз струм якоря знижується до нуля і в кривій струму з’являються паузи - струм стає переривчастим, опір якорного кола зростає і жорсткість електромеханічної характеристики зменшується. Це призводить до зменшення діапазону регулювання швидкості.

Основним засобом зменшення зони переривчастих струмів є збільшення частоти комутації. Сучасні силові транзистори дозволяють здійснювати комутацію з частотою 2...10 кГц. Зменшенню зони переривчастих струмів сприяє згладжуючий реактор, збільшуючи ЕРС самоіндукції.

Для розширення діапазону регулювання швидкості використовують замкнені системи, в яких тривалість імпульсу змінюється в залежності від швидкості двигуна за допомогою зворотних зв’язків. При цьому можна використати вертикальний принцип керування за умови, що частота генератора змінної напруги буде рівною частоті комутації.

Еквівалентний опір широтно-імпульсного перетворювача розраховують за тими ж формулами, що і еквівалентний опір керованого випрямляча, тому

де - активний опір згладжуючого реактора.

Індуктивний опір

/48/

де напруга короткого замикання, яка для трансформаторів серії ТС дорівнює 2%, і відповідно номінальні фазні напруга і струм первинної обмотки трансформатора, коефіцієнт трансформації.

Активний опір фази

, /49/

де потужність короткого замикання трансформатора, яка залежить від його потужності. Використаємо трансформатор серії ТС з , наведеною в табл. 3.

Таблиця 3

	6,3
	175

Щоби напруга на якорі двигуна , діюче значення напруги вторинної обмотки трансформатора відповідно повинно бути рівним 208 В.

За цією умови коефіцієнт трансформації

. /50/

Номінальний струм первинної обмотки

, /51/

6.1 Розрахунок системи електропривода з сумуючим підсилювачем

Наведемо рівняння, якими описується електромеханічна характеристика системи електропривода з сумуючим підсилювачем:

/52/

де коефіцієнти передачі підсилювача і силового перетворювача; еквівалентний опір перетворювача; коефіцієнт зворотного зв’язку за швидкістю двигуна.

Вихідними даними для розрахунків коефіцієнтів, які входять в рівняння /53/, є задані технічними умовами діапазон регулювання і статизм нижньої електромеханічної характеристики. Діапазон регулювання , де і швидкості ідеальних холостих ходів, що відповідають натуральній і нижній електромеханічній характеристиці. Нижню межу регулювання визначає заданий відносний перепад швидкості, який називається статизмом, при зміні навантаження від нуля до номінального. Отже, статизм замкненої системи регулювання

/53/

Підставивши в рівняння /54/ , одержують

/54/

Формула /54/ показує, що перепад швидкості на нижній характеристиці залежить від діапазону регулювання і статизму.

Функціональна схема системи автоматичного регулювання зі зворотним зв’язком за швидкістю наведена на Рис.6. На ній позначені: ЗШ - задавач швидкості, ПО - сумуючий операційний підсилювач: ШІП, СК - широтно-імпульсний перетворювач з системою керування,

Д - двигун, ТГ - тахогенератор і подільник напруги .

Рис. 6.

Система автоматичного регулювання з широтно-імпульсним перетворювачем є дискретною, але при kГц її можна вважати безперервною. Тому динаміку такої системи описуватимемо математичним апаратом для неперервних множин.

Розв’язавши систему рівнянь /52/ відносно швидкості, одержують рівняння електромеханічної характеристики системи

, /53/

де .

Або

, /55/

де коефіцієнт підсилення розімкненої системи.

Поділивши перепад швидкості в розімкненій системі при номінальному навантаженні

на перепад швидкості в замкненій системі

,

одержимо формулу для визначення необхідного коефіцієнта підсилення розімкненої системи:

або

. /56/

Коефіцієнт зворотного зв’язку за швидкістю визначають, виходячи з стандартної задаючої напруги 10В або 20В, яка має відповідати швидкості ідеального холостого ходу . Зазвичай, приймають