Электропривод подъемного стола

Введение

 

Возрастающие  технологические требования к качеству производственных процессов, необходимость внедрения высоких технологий обусловливают устойчивую тенденцию внедрения в различные отрасли промышленного и сельскохозяйственного производства регулируемых электроприводов.

Развитие  математической теории машин переменного  тока, создание усовершенствованных силовых полупроводниковых приборов и преобразователей на их основе, использование современных средств управления, включая микропроцессорные, позволяют создавать высококачественные и надёжные системы регулируемых асинхронных электроприводов, которые становятся основным видом регулируемого электропривода.

Основными типами регулируемого являются следующие  системы: «полупроводниковый преобразователь – двигатель постоянного тока» (ПП – ДПТ) и «полупроводниковый преобразователь частоты – асинхронный двигатель» (ПЧ – АД). Частотно-регулируемые электроприводы постепенно вытесняют приводы постоянного тока, поскольку современные преобразователи частоты обеспечивают регулирование скорости асинхронных двигателей, по качеству не уступающих приводам постоянного тока. Кроме того, преимущества асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором по сравнению с двигателями постоянного тока, такие как высокая надёжность, меньшая стоимость, простота изготовления и эксплуатации, в сочетании с высокими регулировочными и динамическими показателями превращают асинхронный частотно-регулируемый электропривод в доминирующий тип электропривода.

Целью выпускной квалификационной работы является проектирование электропривода подъемного стола на базе системы ПЧ – АД с применением регулятора скорости при настройке контура скорости на симметричный оптимум.

1. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОДЪЕМНОГО СТОЛА

 

Основную часть своего вращающего момента приводы подъемных устройств (рисунок 1.1) расходуют уже в режиме движения без ускорения (квазистационарный режим). Поэтому для ускорения масс необходима лишь небольшая составляющая вращающего момента (исключение: подъемное устройство с противовесом).

Рисунок 1.1 - Подъемное устройство

 

Исходные данные для  расчёта:

масса подъёмного стола m_с = 200 кг;

масса груза m_гр = 300 кг;

ускорение а = 0,3 м/c²;

скорость подъёма v = 0,3 м/с;

диаметр звездочки D = 250 мм;

КПД нагрузки h_н = 0,9;

КПД редуктора h_р = 0,95;

общий КПД h = 0,85;

базовая частота f₁ = 50 Гц;

максимальная частота f_max = 70 Гц;

продолжительность включения ПВ = 40%.

 

При расчете параметров для привода  подъемного устройства с преобразователем частоты за максимальную частоту следует обязательно принимать 70 Гц. Если привод достигает максимальной скорости при 70 Гц вместо 50 Гц, то передаточное число редуктора, а значит и создаваемый вращающий момент, становится больше в 1,4 (70/50) раза. Если теперь установить базовую частоту на 50 Гц, то при таком расчете вращающий момент на выходном валу в диапазоне до базовой частоты увеличивается в 1,4 раза и затем в диапазоне до 70 Гц снижается до номинального значения. Такая настройка параметров обеспечивает резерв вращающего момента в 40% в диапазоне до базовой частоты. Этим обеспечивается увеличенный пусковой момент и повышенная надежность подъемного устройства.

В подъемно-транспортных машинах применяются специальные  крановые и металлургические двигатели постоянного тока серии Д и двигатели общепромышленного типа серии 2П, крановые и металлургические асинхронные двигатели переменного тока с фазным ротором серии МТF и МТН, а также крановые и металлургические двигатели с короткозамкнутым ротором серии МТКF и МТКН, а в приводах малой мощности – асинхронные двигатели единой серии 4А с короткозамкнутым ротором.

     Двигатели постоянного тока более удобны для использования в грузоподъемных машинах, так как они способны создавать бoльший пусковой момент, позволяют осуществлять регулирование частоты вращения в широких пределах и могут использоваться при бoльшей частоте вращения. Однако эти двигатели дороже, чем двигатели переменного тока, менее надежны и требуют применения специальных выпрямителей, преобразующих ток промышленной частоты в постоянный. Поэтому в отечественном краностроении существует тенденция применения двигателей переменного тока.

Наиболее простыми, надежными  и недорогими двигателями переменного тока являются двигатели с короткозамкнутым ротором.

Типоразмер двигателя  подбирается по максимальной статической мощности Р_ст.max, кВт.

     Для механизма подъема груза эта мощность определяется по формуле

 кВт.

При том условии, что динамическая мощность привода подъемных устройств  без противовеса относительно мала (менее 20 % от статической мощности), достаточно определить статическую мощность двигателя.

Номинальная мощность двигателя Р_дв может быть принята на 20…30 % меньше максимальной статической мощности, т. е.

Р_дв = (0,7...0,8)Р_ст.max = 1,21…1,38 кВт.

     Это обусловлено тем, что эквивалентная мощность, развиваемая двигателем при работе с грузами разного веса и зависящая от использования механизма по грузоподъемности, всегда меньше Р_ст.max. При работе с грузами номинального веса крановые двигатели обладают необходимой перегрузочной способностью, достаточной, чтобы выдержать кратковременную перегрузку.

Выбираем асинхронный двигатель  с короткозамкнутым ротором серии  МТКF. Технические данные сводим в таблицу 1.

 

 

 

Технические данные двигателя 4МТКF011-6                                Таблица 1

Тип двигателя	Мощность на валу при ПВ = = 40% Pном, кВт	Частота вращения nном, об/мин	Коэффициент полезного действия, %	Напряжение питания U1л.ном, В	Номинальный ток статора I1ном, А	Момент инерции Jдв, кг·м2	Кратность максимального момента λ
4МТКF011-6	1,4	875	61,5	380	5,2	0,08	3

 

Номинальный момент на валу двигателя

 Н·м.

Момент инерции нагрузки

 кг·м².

Момент статического сопротивления нагрузки

 Н·м.

Динамический момент

Н·м,

где время разгона  с.

Динамический момент должен быть меньше, чем 130 % номинального момента, обеспечиваемого преобразователем и рассчитанного по номинальной мощности:

 > 130%.

Поскольку условие не выполняется, выбираем двигатель большей  мощности. Технические данные сводим в таблицу 2.

 

Технические данные двигателя 4МТКF012-6                                Таблица 2

Тип двигателя	Мощность на валу при ПВ = = 40% Pном, кВт	Частота вращения nном, об/мин	Коэффициент полезного действия, %	Напряжение питания U1л.ном, В	Номинальный ток статора I1ном, А	Момент инерции Jдв, кг·м2	Кратность максимального момента λ
4МТКF012-6	2,2	880	67	380	7,2	0,11	3

 

Номинальный момент на валу двигателя

 Н·м.

Момент инерции нагрузки

 кг·м².

Момент статического сопротивления нагрузки

 Н·м.

Динамический момент

Н·м.

 < 130%.

Частота вращения выходного вала

об/мин.

Передаточное число  редуктора

.

Поскольку необходимые  параметры нагрузки определены, переходим  к расчёту динамической модели системы ПЧ-АД.

 

2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМЫ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ – АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

 

Данные для расчёта принимаем по таблице 2.

1) Определение электромеханической постоянной времени двигателя Т_м, с

,

где – модуль жёсткости линеаризованной механической характеристики двигателя, Н×м×с;

 – критический момент, Н×м;

Критический момент

 Н×м.

Модуль жёсткости

 Н×м×с,

где критическое скольжение

Электромеханическая времени

2) Определение электромагнитной  постоянной времени двигателя Т_э, с

3) Определение коэффициента передачи по моменту К_м

Н×м×рад/В,

где рад/В·с – коэффициент передачи канала регулирования частоты;

 В – входное напряжение операционного усилителя;

 – коэффициент усиления  регулятора момента;

р_п = 3 – число пар полюсов;

 В·с/рад – коэффициент передачи тахогенератора, образующего положительную обратную связь.

При заданном значении постоянной времени  тахогенератора (постоянной времени фильтра) структурная схема динамической модели двигателя принимает вид, изображённый на рис. 2.1.

 

 

Рисунок 2.1 - Структурная схема динамической модели двигателя

с контуром скорости

 

На основании полученной структурной  схемы переходим к синтезу  регулятора скорости.

 

3. СИНТЕЗ КОНТУРА СКОРОСТИ

3.1. Синтез регулятора скорости для настройки контура скорости

 на симметричный  оптимум

 

Согласно рисунку 2.1 имеем передаточную функцию контура скорости в виде

.                       

Передаточная функция  контура скорости КС, настроенного на симметричный оптимум СО, имеет вид

.

Для определения структуры  РС приравняем последние выражения  и получим

.

При расчете параметров регулятора скорости РС постоянную времени тахогенератора Т_ТГ следует отнести к малой постоянной времени. Тогда суммарная малая постоянная времени контура скорости рассчитывается по формуле

.

Передаточная функция  регулятора скорости для настройки  контура скорости на симметричный оптимум

.

Введем обозначения

  - коэффициент передачи РС;

Т_рс = - постоянная времени РС                                                  

и перепишем в выражение виде

,

Полученное выражение является передаточной функцией ПИ-регулятора.

Определим параметры  РС и построим динамическую модель КС скоростного ЭП. Коэффициент передачи тахогенератора ТГ К_тг = К_пс = 0,0955 В·с/рад; постоянная времени тахогенератора = 0,001 с. Рассчитываем суммарную малую постоянную КС

Определяем параметры РС для  настройки на СО.

Рассчитываем коэффициент  передачи и постоянную времени РС

; Т_рс = с;

Для построения динамической модели привода, настроенного на СО

.

Подставив заданные и  рассчитанные числовые значения в схему на рисунке 2.1, получаем ССДМ КС, настроенного на СО (рисунок 3.1).

 

 

Рисунок 3.1 - Структурная  схема динамической модели КС в среде MatLab