Автоматическая система регулирования скорости электропривода транспортного рольганга

Введение

 

Современный электрифицированный  механизм рассматривается как электромеханическая  автоматизированная (или в целом автоматическая) система, замкнутая обратными связями (через оператора или специальные технические устройства) по контролю основополагающих технологических параметров.

 В главном (силовом) канале  обязательно присутствуют электродвигатели, а также могут быть представлены  преобразователи электрической  и механической энергии. С их  помощью реализуются конкретные  законы электромеханического энергопреобразования. Каналы управляющих воздействий  на различные функциональные  элементы силовой цепи, а также  каналы обратных связей входят  в состав системы автоматического  управления (САУ) ЭП.

 Новое высокопроизводительное  оборудование для современного  механизированного производства  создаётся совместными усилиями  технологов, машиностроителей, специалистов  по электрическим машинам, ЭП  и автоматизации. Одновременно  с разработкой технологии и  конструктивного состава механического  оборудования разрабатывается его  электрическое оборудование.

 Конструктивные и  кинематические особенности исполнительного  органа механизма во многом  предопределяется типом ЭП, на  который ориентируются при разработке  механической части. Имеет место  и обратное влияние – в зависимости  от конструктивных решений механической  части значительные изменения  претерпевает ЭП. Конструктивные  решения отражаются на параметрах  механической и электрической  систем. Соотношения последних сказываются  не только на статических и  динамических качествах, но и  на потребление электроэнергии, экономической работы электрифицированного  механизма.

 

 

Исходные данные

Наименование величин	Вариант
	7
Число роликов в секции, N	16
Масса ролика, mр, т	1
Диаметр ролика, Dр, м	0,35
Диаметр шейки ролика, dр, м	0,18
Длина заготовки, L, м	24
Масса заготовки, mм, т	4
Скорость рабочего хода, Vр., м/с	2,5
Скорость транспортирования, Vв.., м/с	8
Допустимое ускорение, а, м/с2	3
Число циклов в час, Z	80
Коэффициент трения ролика при буксовании: по холодному металлу μб	0,2
Коэффициент трения в подшипниках  ролика μп	0,005
Коэффициент трения качения металла  по роликам  f	0,1·10-2

 

 

 

 

Характеристика  проектированного механизма 

Рольганги входят в состав оборудования поточных технологических  линий прокатного цеха чёрной металлургии. Рольганги представляют собой механизмы, с помощью которых осуществляется транспортировка заготовок, полуфабрикатов и готовых изделий в ходе технологического процесса прокатного производства. Современные прокатные станы характеризуются поточным технологическим процессом обработки металла, поэтому общая длина рольгангов весьма значительна, а масса их иногда достигает 20-30% от массы механического оборудования всего прокатного стана.

Широкое применение транспортные рольганги получили в связи с  развитием технологического производства, постоянным увеличением объемов  передачи между операциями деталей, внедрением автоматизированных систем учета, складирования, отпуска готовой  продукции. В настоящее время  нами освоены, изготовлены и уже  эксплуатируются несколько видов  транспортных рольгангов, а именно:

1. Рольганг ролико-опорный длиной 9м. односекционный, имеющий приводной и разгрузочный механизм, грузоподъёмностью до 15 тонн металлической круглой заготовки, служащий в качестве продольно приемного и бокового перегрузочного устройства. Круглая заготовка попадая на валки рольганга передаются до упора, затем диспетчер останавливает подачу и включает боковой подъём заготовки, которая под собственным весом скатывается в ложементы или складские площадки.

2. Рольганг подъёмно-перегрузочный  — многосекционный, общей длиной 16 м., имеющий возможность передачи  круглых заготовок от боковой  подачи на рольганг продольного  перемещения. Грузоподъёмность рольганга  — 7,5тонн. Попадая в захваты  рукавов заготовка фиксируется  ими и передаётся над рольгангом  на другой продольно передающий  рольганг, как тот который мы  изготавливали в примере номер  1.

3. Рольганг тянущий —  односекционный индивидуальной  конструкции рольганг, выполняющий роль рычага в процессе подъёма, перемещения и укладывания заготовок на транспортирующую поверхность. Является вспомогательным элементом для компенсации высокой нагрузки на исполнительные привода.

4. Рольганг опорно-поворотный  — вертикальный кранового типа  механизм радиального перемещения  заготовок, в процессе межоперационных  движений заготовок. Грузоподъёмность  до 3тн., длина рукава от оси  стойки — 1,5м., имеет ответные  части к приводному элементу (МЭО,  МЭОФ). Работает в основном между  обрабатывающими станками, в качестве  короткой механической подачи  постоянно повторяющего комплекта  заготовок (конвейерного типа).

Области применения: металлургия, добывающая, химическая, легкая, перерабатывающая промышленность, машиностроение, сельское хозяйство и другие отрасли экономики.

Назначение: автоматизация / механизация технологических процессов передачи заготовок / деталей с различными параметрами скорости, дальности передачи, грузоподъёмности, такта и ритмов происходящих технологических процессов.

Технологическая последовательность работы механизма.

Рольганг ножниц служит для  перемещения заготовки, установки  её для пореза на заданной отметке. Заготовка длиной L подается на рольганг транспортером. Рольганг запускается, перемещает заготовку на длину L/2 и останавливается. Рез заготовки ножницами происходит при неподвижном рольганге, отрезанная часть заготовки снимается с рольганга отводящим транспортером. После этого рольганг запускается вторично, перемещая оставшуюся часть заготовки (длиной L/2) за ножницы, откуда она снимается с рольганга. Затем цикл повторяется.

 

Кинематическая  схема рольганга с индивидуальным приводом.

 

Требования к  электроприводу

Основным требованием  к электроприводу транспортировочных рольгангов является отработка заданного  значения скорости

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет моментов статических сопротивлений и  предварительный расчёт мощности электродвигателя.

Для того чтобы рассчитать предварительную мощность необходимо посчитать статический и динамический моменты.

Расчет динамического  момента для одного валка [3, c.375]:

 

где :

 

Расчет статического момента  для одного валка [3, c.375-376]:

 

 

 

 

Расчет мощности, [6. c 30] :

 

 

где:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор двигателя

Из за сложности изготовления и синхронизации передающего  механизма  групповой привод для  решения данной задачи не подходит.  Для  данного механизма рольганга  наиболее подходящим является индивидуальный привод каждого ролика без редуктора.

По выше посчитанной мощности выбираем двигатель.

Двигатель выбирается из специализированной серии АР

Трёхфазный асинхронный  электродвигатель с короткозамкнутым ротором, без внешнего вентилятора, для работы от преобразователя частоты, режим работы S1, Номинальное напряжение питания 380 В, 20 Гц. Класс защиты IP 54, класс изоляции F, климатическое исполнение – У3.

Серия двигателя: АР315SA4

Его параметры:

Р, кВт	U, B	nн, об/мин	Iн, А	Iм, А	cosφ	Ммах, Нм	Мном, Нм	J, кг/м2
25	380	590	51	142	0,81	1215	405	1,9

 

Уточним момент динамический с учетом момента инерции двигателя.

 

Уточним мощность:

 

 

Проверка электродвигателя

Расчет параметров при рабочем ходе:

Время одного цикла определяется по формуле, с, [6. c 31]:

 

где - число циклов в час

Расчитаем путь, проходимый механизмом за периоды пуска и торможения, м,  [6. c 31]

 

Продолжительность периодов пуска и торможения, с, [6. c 31]

 

Время работы с установившейся скоростью

 

Расчет параметров при транспортирование:

Время одного цикла определяется по формуле:

 

Рассчитаем путь, проходимый механизмом за периоды пуска и  торможения,

 

 

Продолжительность периодов пуска и торможения

 

Время работы с установившейся скоростью

 

Рис. 1. Нагрузочная диаграмма работы электродвигателя

Рис. 2. Скоростная диаграмма электродвигателя

Расчет эквивалентного момента:

Принимаем время пуска  равное времени торможения.

 

где:

Момент пуска

 

Момент торможения

 

Время работы

 

Двигатель проходит проверку по нагреву, так как ≥

Выбор силового преобразователя

Преобразователь частоты - это устройство, предназначенное  для преобразования переменного  тока (напряжения) одной частоты  в переменный ток (напряжение) другой частоты.

Выходная  частота в современных преобразователях может изменяться в широком диапазоне  и быть как выше, так и ниже частоты питающей сети.

Схема любого преобразователя частоты состоит  из силовой и управляющей частей. Силовая часть преобразователей обычно выполнена на тиристорах или  транзисторах, которые работают в  режиме электронных ключей. Управляющая  часть выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение  большого количества вспомогательных  задач (контроль, диагностика, защита).

Преобразователи частоты, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой  части разделяются на два класса:

1. Преобразователи  частоты с явно выраженным  промежуточным звеном постоянного  тока.

2. Преобразователи  частоты с непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного  тока).

Каждый  из существующих классов преобразователей имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального  применения каждого из них.

Выбор был сделан в пользу фирмы Altivar

Серия ATV 71HD30N4

Данная серия ПЧ позволяет  управлять с помощью алгоритма  векторного управления потоком (CVF) асинхронными двигателями в разомкнутой и  замкнутой системах регулирования  скорости и синхронными двигателями  с синусоидальной Э.Д.С. в разомкнутой  системе. При сетевом питании  a 200 - 240 В и a 380 - 480 В предлагается функциональная гамма ПЧ, позволяющая управлять синхронными двигателями с синусоидальной Э.Д.С. в замкнутой системе регулирования скорости.

Его параметры

Двигатель	Сеть				Altivar71
Мощность	Линейный ток		Полная мощность	Макс. линейный ток к.з.	Макс. ток в установившемся режиме	Макс. переходный ток в  течении		№	Масса
	380 В	480В	380 В			60 c	2 c
30 кВт	66 А	56 А	43,4 кВА	22 кА	66 A	999 A	109 A	ATV71HD30N4	26000 кг

 

Проверка преобразователя  по току

Ток в двигателе во время  разгона до скорости рабочего хода,  А

 

Исходя из полученного  тока можно сделать вывод, что  даже при самом большом пусковом моменте ток преобразователя  больше тока двигателя, значит данный преобразователь частоты удовлетворяет  условиям и проходит проверку.

 

 

 

Выбор сетевого дросселя

Дроссель  сетевой (входной) предназначен для защиты преобразователя частоты от резких перепадов напряжения в сети.  Сетевой дроссель сглаживает неровности синусоидальной формы входного тока. Уменьшаются помехи, что способствует надежности работы привода и увеличивает срок его службы.

Для выбранного преобразователя частоты рекомендован сетевой дроссель серии:   VW3A4556

Его параметры

Для преобразователя	Сетевой ток  к.з.	Сетевой дроссель				№ по катологу	масса
		Значение  индуктивности	Ном. ток	Ток насыщения	Потери
ATV71HD30N4	22кА	0,3мГн	100А	-	260 Вт	VW3A4556	16000 кг

 

Проверим сетевой дроссель по значению индуктивности:

 

 

 

 

 

 

 

Выбор тормозного резистора

Тормозной модуль и тормозной  резистор нужен для рассеивания  кинетической энергии выделяемой преобразователем частоты при резком торможении.

Тормозной резистор используют, если необходим быстрой останов  двигателя или нужно быстрого снизить его скорость. Тормозной  резистор рекомендуется использовать при нагрузках с большим моментом инерции

Для выбранного преобразователя частоты рекомендован тормозной резистор серии:   VW3A4556

Параметры тормозного резистора

R при С, Ом	Располагаемая средняя мощность при С, кВт	№ по каталогу
15	1	VW3A7704

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор системы  управления электропривода

Векторное управление —  метод управления синхронными и  асинхронными двигателями, не только формирующим  гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивающим управление магнитным  потоком ротора (моментом на валу двигателя). Векторное управление применяется  в случае, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной  и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также  в случаях, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования  частоты при номинальных моментах, например, 0…50 Гц для момента 100% или  даже кратковременно 150-200% от Мном, это позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя. Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле.

При непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме  амплитуды и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление». Векторный  способ управления преобразователем частоты  позволяет осуществлять гораздо  более качественное управление электродвигателем, нежели скалярный. Зато настройка такого преобразователя требует глубоких познаний в области устройства электропривода и электрических машин.

Векторное управление в сравнении  со скалярным обладает более высокой  производительностью. Векторное управление избавляет практически от всех недостатков  скалярного управления. Главная идея векторного управления заключается  в том, чтобы контролировать не только величину и частоту напряжения питания, но и фазу. Другими словами контролируется величина и угол пространственного  вектора [1].  Векторное управление позволяет независимо и практически безынерционно регулировать скорость вращения и момент на валу.

Преимущества векторного управления:

1.высокая точность регулирования скорости;

2.плавный старт и плавное вращение двигателя во всем диапазоне частот;

3.быстрая реакция на изменение нагрузки: при изменении нагрузки практически не происходит изменения скорости;

4.увеличенный диапазон управления и точность регулирования;

5.снижаются потери на нагрев и намагничивание, повышается КПД двигателя.

К недостаткам векторного управления можно отнести:

1.необходимость задания параметров двигателя;

2.большие колебания скорости при постоянной нагрузке;

3.большая вычислительная сложность.

 

Уравнения преобразования фаз  в блоке ПФ

 

 

 

Уравнения координатных преобразований в блоке КП

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_{Структурная схема модели электропривода при векторном  управлении.}

Расчет параметров схемы векторного управления

 

Начальные параметры необходимые  для дальнейших расчетов.

- номинальная  мощность двигателя

- номинальное  напряжение

- номинальное  скольжение

- перегрузочная способность по максимальному моменту

-допустимая перегрузка преобразователя по току

- номинальное  к.п.д.

- коэффициент  мощности

- синхронная  скорость

- частота

- число полюсов

 

Расчет синхронной угловой  скорости:

 

Расчет номинальной угловой  скорости:

 

Номинальный момент:

 

Момент критический:

 

Номинальный ток [4,с.140]

 

Критическое скольжение [3,с.313]:

 

Для этого понадобится  рассчитать сопротивления и индуктивность  статора и ротора.

Находим активное сопротивление  обмоток статора [3, с.314]:

 

где принимаем 

Находим активное сопротивление  обмоток ротора [3, с.314]:

 

 

Находим индуктивность обмоток  статора [3, с.314]:

 

 

 

Принимаем значение индуктивности  обмоток статора равной индуктивности  обмоток ротора:

 

Находим индуктивность рассеяния  обмоток статора и ротора [3, с.314]:

 

 

Принимаем данное значение равным для статора и ротора.

Находим взаимную индукцию обмоток статора и ротора [3, с.314]:

 

Находим индуктивное сопротивление обмоток [4,c.252]:

 

Находим индуктивное сопротивление  рассеяния [4,c.252]:

 

Находим индуктивное сопротивление  взаимной индукции [4,c.252]:

 

Посчитаем суммарный момент инерции:

 

Подсчет коэффициента электромагнитной связи ротора _[2.c.120]:

 

Расчет постоянных времени двигателя:

Рассчитаем суммарное  сопротивление двигателя _[4.c.123]:

 

Суммарная индуктивность  определяется по формуле_[4.c.121]:

 

Электромагнитная постоянная времени статора асинхронного двигателя _[4.c.123]:

 

Электромагнитная постоянная времени ротора асинхронного двигателя _[4.c.123]:

 

Расчет механической постоянной:

 

Найдем значение модуля жесткости  механической характеристик [5,с.50]:

 

Расчет потокосцепления  ротора [5,с.51]:

 

_{Передаточная  функция, характеризующая  динамические процессы в асинхронном  электродвигателе при  векторном управлении}

Расчет динамических характеристик системы векторного управления.

Расчет параметров токового контура.

Эквивалентный передаточный коэффициент преобразователя:

 

Принимаем постоянную времени  преобразователя равной:

 

Коэффициент обратной связи  по току статора

 

Коэффициент регулятора тока определяется по формуле [3.c.234]:

 

_{Передаточная  функция ПИ регулятора  тока статора по оси  β,    [3,c.234]}

 

 

 

Расчет параметров контура регулирования потокосцепления  ротора

Коэффициент передачи датчика  потока

 

Остаточная инерционность  контура регулирования момента. Принимают при настройке контура  на оптимум по модулю

 

Коэффициент регулятора потока, [3, c.235]

 

_{Передаточная  функция потокосцепления} 

Расчет параметров контура скорости

Коэффициент усиления датчика  скорости

 

Остаточная инерционность  контура регулирования скорости

 

При отсутствии фильтра в  цепи обратной связи по скорости и  настройке на оптимум по модулю постоянная регулятора принимается равной:

 

Коэффициент регулятора скорости

 

_{Передаточная  функция регулирования  скорости}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_{Результаты моделирования}

Схема моделирования векторного управления в среде Matlab

При моделировании векторного управления асинхронного двигателя  были исследованы следующие режимы:

Режим при котором метал поступает на вращающиеся ролики

Из графика видно, что  скорость в точности соответствует  необходимому режиму работы для нашего рольганга. Пусковой момент на валу двигателя  не  превышает максимального значения момента для нашего типа двигателя.

От перерегулирования  потока избавились с помощью подстройки интегральной части регулятора потока.

Статическая ошибка: отсутствует , но имеется небольшое перерегулирование по скорости.

Динамическая ошибка:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Режим при котором привод начинает работу с полной нагрузкой

Из графика видно, что  при подаче нагрузки вместе с пуском привода пусковой момент выше чем  при моделировании предыдущего  режима. В этом режиме привод испытывает большие нагрузки.

Статическая ошибка: : отсутствует , но имеется небольшое перерегулирование по скорости.

Динамическая ошибка:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема с интегральным регулятором момента

Передаточная функция  регулятора момента будет иметь  вид:

где - динамический коэффициент регулятора момента [5. c236]

где - коэффициент датчика момента,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результаты моделирования

 

Регулятор момента позволил снизить пусковой момент до необходимого значения для пуска механизма, снизить  ударные нагрузки на двигатель.

Статическая ошибка: : отсутствует , но имеется небольшое перерегулирование по скорости.

Динамическая ошибка:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вывод

Для транспортировки металлической  заготовки на транспортном рольганге  необходимо: строгая отработка заданного  значения скорости. Как видно из полученных графиков при векторном  управлении асинхронного двигателя  нам удаётся точно поддерживать и регулировать скорость движения перемещаемого металла. График скорости совпадает со скоростной  диаграммой для нашего механизма. Сравнивая графики переходных процессов для 1 и 2 режимов можно сделать вывод о том, что при подаче металла на уже раскрученный ролик рольганга  пусковой момент 698 Н∙м на много меньше чем при пуске двигателя под нагрузкой  809 Н∙м. Даже при тяжёлом пуске двигателя, с металлом, максимальный момент 809 Н∙м, не превышает максимального момента для выбранного двигателя 1214 Н∙м. Применение регулятора момента, режим 3, позволяет нам ограничивать и регулировать нам момент на валу двигателя, ограничение пускового момента позволяет нам быстрее выйти на заданную скорость уменьшить нагрузку на двигатель в переходных процессах, что ведёт к экономии электроэнергии и увеличению срока службы всего механизма в целом.

В итоге получили, что  все параметры находятся в  допустимых пределах, ток и момент не превышают допустимые значения, скорость поддерживается необходимой для работы рольганга.

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

В ходе данной курсовой работы произвели выбор и проверку асинхронного двигателя. Скорость вращения вала асинхронного двигателя зависит от конструктивных параметров электродвигателя, момента  нагрузки и частоты напряжения питающей сети. Очевидно, для получения качественного  регулирования необходимо изменять последний параметр, т. е. частоту  питания. Именно для этих целей и  были созданы преобразователи частоты.

Также выбрали частотный  преобразователь с векторным  управлением для данного двигателя. В преобразователях частоты с  векторным управлением значение напряжения рассчитывается методом  моделирования процессов, проходящих в асинхронном двигателе. В этом случае пользователю необходимо задать параметры двигателя. Очевидно, что  этот способ управления позволяет осуществлять более качественное управление электродвигателем. Однако настройка такого преобразователя  частоты требует довольно глубоких познаний в области электропривода и электрических машин.

 Для системы преобразователь  частоты - асинхронный двигатель  исследовали векторное управление с отработкой заданного значения  скорости. Для моделирования переходных процессов - пуск и работа на установившейся скорости  использовали программу Matlab.

 

 

 

 

 

 

 

Литература

1. Технический каталог  рольганговые электродвигатели  серии АР, Челябинск, 2008г.

2. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное  моделирование полупроводниковых  систем в  Matlab 6.0, С.Пб: - 2001г.

3. Соколовский Г.Г. Электроприводы  переменного тока с частотным  регулированием, М.: - Академия –  2006г.

4. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. – Управление электроприводами, Ленинград, - 1987г.

5. Бычков В.П. «Электропривод и автоматизация металлургического производства» - М.: Высшая школа, -1977.

6. Методические указания  к выполнению курсовой работы

7. Королёв А.А. Механическое оборудование прокатных цехов. - М.: Издательство “Металлургия”. 1965.

8.  Каталог продукции  Altivar 71

9. Интернет ресурсы.