Автоматизация. 2

Содержание

 

		с.:
	Введение…………………………………………………………………….. 5	4
	1 Расчёт и выбор  мощности двигателя…………………………………….	8
	2 Проверка двигателя  по нагреву…………………………………………..	12
	3 Электромеханические  свойства электропривода………………………	16
	4 Функциональная схема электропривода………………………………...	22
	5 Тиристорный преобразователь …………………………………………..	32
	6 Силовой трансформатор………………………………………………….	33
	7  Расчёт параметров объекта регулирования……………………………	34
	8 Структурная схема  САР…………………………………………………..	36
	9 Оценка качества регулирования…………………………………….........	37
	Заключение......................................................................................................	39
	Список используемой литературы………………………….……………...	40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

Существенное повышение  эффективности строительного производства обеспечивается путем постоянного  совершенствования технологии, организации, управления и используемого оборудования. Одновременно основное значение в указанных  видах работ приобретает не только механизация, но и автоматизация и роботизация строительного производства.

Механизация и автоматизация  строительного производства также  постоянно совершенствуются, так  как дают возможность увеличивать  темпы строительства, снижать трудоемкость и стоимость работ, повышать их качество, улучшать и облегчать условия труда обслуживающего персонала, обеспечивать безопасность выполняемых работ, перейти к завершению полной механизации тяжелых и трудоемких процессов и от механизации отдельных простых процессов строительства к комплексной их механизации и автоматизации. В соответствии с этим в строительстве различают механизированные, комплексно-механизированные и автоматизированные виды работ.

При механизированных работах  основные операции выполняются с помощью машин, оборудования, установок и инструментов, имеющих механический, электрический, пневматический, гидравлический и комбинированные приводы. Например, наиболее трудоемкая операция технологического процесса по отрывке грунта при производстве земляных работ выполняется экскаватором.

При комплексно-механизированных работах все основные и вспомогательные  тяжелые и трудоемкие операции и  процессы механизированы. В этом случае все машины, оборудование и другие средства механизации должны быть взаимосвязаны по производительности и обеспечивать заданный ведущей машиной темп работ при наивысших технико-экономических показателях. Например, при производстве земляных работ экскаватором выполняется отрывка грунта, автосамосвалом — его транспортирование, а бульдозером, автогрейдером и уплотняющей машиной (катком, трамбовкой) — зачистка, разравнивание, планирование и уплотнение грунта. При этом в указанном комплекте машин экскаватор является ведущей, а остальные — вспомогательными машинами. Так как существующие типы и типоразмеры машин не всегда могут обеспечить полное соответствие их производительности сменному потоку работ, то необходимо всегда выявлять образующийся между ними разрыв и подбирать такое сочетание, при котором не полностью используются только наиболее дешевые в эксплуатации машины или же ввод этих машин осуществлять на определенных этапах работ.

Автоматизация производственных процессов включает в себя понятия  «автоматика» и «автоматизация», которые  не следует отождествлять. Автоматика — отрасль науки и техники, разрабатывающая теорию и методы автоматизации производственных процессов, а автоматизация — это применение технических средств автоматики, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в производственном процессе.

При автоматизированных процессах различают частичную, комплексную и полную автоматизацию.

Частичная автоматизация  предусматривает применение автоматического  оборудования, приборов и устройств  на отдельных, преимущественно основных производственных операциях. Большинство строительных машин и оборудования оснащено такими приборами и устройствами для отключения или ограничения действия машин и их рабочих органов, учета работы, регулирования скорости движения рабочих органов, траектории их движения (глубина копания траншей с заданным уклоном для землерой-но-транспортных машин, подача сборных элементов к месту их установки по кратчайшему пути для монтажных кранов и др.) и т. д. Комплексная автоматизация предусматривает применение системы связанных в единую технологическую линию отдельных агрегатов, машин, приборов и устройств, осуществляющих все (как основные, так и вспомогательные) операции производственного процесса. При этом оператором или машинистом выполняются только операции пуска и остановки, а поддержание заданных параметров производственного процесса во всех его звеньях происходит автоматически.

Полная автоматизация  позволяет выполнять не только все  основные и вспомогательные производственные операции, но и полностью осуществлять автоматическое управление и контроль за процессами, в том числе изменение по заданной программе параметров и вида продукции.

 

1 Расчёт и выбор мощности двигателя

 

 

Для предварительного выбора мощности двигателя, воспользуемся  методом эквивалентного момента, т.к. считаем, что магнитный поток не изменяется: вычислим эквивалентный момент по формуле:

 

                                

                            (1)

 

где     М_{с max} − момент сопротивления на валу двигателя, М_{с max}= 1000 Н·м;

М_{с min} − момент сопротивления на валу двигателя, М_{с min}= 200 Н·м;

t_p1 − время работы механизма, t_p1= 18 сек;

t_p2 − время работы механизма, t_p2= 14 сек.

 

 

При выборе двигателя постоянного тока из серии, предназначенной для повторно- кратковременных (ПК) режимов, условия ухудшения охлаждения двигателей учитываются при определении фактической продолжительности включения:

 

                                                                                                (2)

 

где    t_p − время работы механизма, t_p= t_p1 + t_p2=17 сек;

t₀ − время паузы, t₀ = 30 сек.

 

 

Эквивалентный момент при  стандартном значении продолжительности  включения определяется:

 

                                                                                         (3)

где    ПВ_С = 40%

 

 

 

Требуемая мощность двигателя:

 

                                                                                         (4)

 

где     1.6 – коэффициент, учитывающий динамическую нагрузку двигателя;  

      – скорость вращения двигателя;

 

                                                     (5)

 

Где     – скорость вращения механизма, с^–1;

     i – передаточное число редуктора, принять i = 1;

 

 

 

 

По каталогу выбираем двигатель ближайший к расчётной мощности и скорости, при соблюдении условия 

Выбранный двигатель при этом должен по роду и величине напряжения соответствовать сетям переменного или постоянного тока данного механизма; по конструктивному исполнению - условиям его компоновки с исполнительным органом и способом крепления на рабочей машине, а по способу вентиляции и защиты от действия окружающей среды - условиям его работы. После выбора двигателя, произвести перерасчёт передаточного числа редуктора. Р_расч ≤ Р_н;

n_н ≥ n_м. 23,15кВт  < 26кВт; 2240 > 2000.

Двигатель постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения постоянного тока серии 2ПА:

Р_н = 26 кВт;

U_н = 220 В;

n_н = 2240 об/мин;

n_маx = 3500 об/мин;

η = 89 %;

R_я = 0,15 Ом;

R_дп = 0,092Ом;

R_ов= 12,8 Ом;

 

2 Проверка двигателя по нагреву

 

 

При проектировании предварительно выбранный двигатель должен быть проверен на нагрев и по перегрузке. Для этого построим тахограмму , рассчитав время разгона и торможения двигателя.

Рассчитаем коэффициент  двигателя:

 

                                           ,                                                       (6)

 

где    U – номинальное напряжение на двигателе, В.

 

 

Определим номинальный  момент и ток якоря двигателя:

 

                                                                                              (7)

 

                                                                                                 (8)

 

 

 

Суммарный момент инерции  привода, приведённого к валу двигателя, рассчитаем с учётом момента инерции механизма:

 

                                 

                                      (9)

 

где    1,2 – коэффициент, учитывающий момент инерции редуктора;

    J_МЕХ – момент инерции вращающихся частей механизма, кг · м².

 

Для определения времени  пуска, замедления и построения нагрузочной  диаграммы М = f (t) обычно задаются средними пусковыми М_П и тормозными М_T моментами, из уравнения (2) определяем:

 

                                                                                                  (10)

 

где  Δω – изменение скорости при пуске и торможении.

 

;  

 

где  

 

 

 

Величина этих моментов принимается равной:

 

.

 

где M_max.дв. – максимальный допустимый момент двигателя;

  λ = 2,5 – перегрузочная  способность двигателя постоянного  тока;

 

, Н·м

 

.

 

Зная диапазон регулирования  скорости, найдём максимальную и минимальную скорости вращения механизма.

С учётом времени пуска, торможения, установившегося движения и паузы построим диаграмму токов I = f (t), учитывая, что пусковой и тормозной токи определяются:

 

                                              

                                               (11)

 

.

 

При действии статического момента на валу двигателя:

 

                                   

                                             (12)

 

;

 

 

 

;

 

 

 

Для самовентилируемых  двигателей необходимо учитывать ухудшение условий охлаждения двигателей при пуске и торможении, а так же во время паузы:

 

                                  

                         (13)

 

где   α = 0,75 – коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения    при работе двигателя с пониженными скоростями;

β = 0,5 – коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения при работе двигателя во время паузы.

 

 

 

Выбранный двигатель  будет проходить по нагреву, если:

 

 

65,57 < 124,21 и 10,69 < 59,15

Проверка двигателя  постоянного тока на кратковременную  нагрузку заключается в сравнении  наибольших величин тока и момента  двигателя, которые находятся по нагрузочным диаграммам с максимально допустимыми значениями тока и момента для выбранного двигателя.

 

 

65,57 < 313,025;

 

10,69 < 147,88

 

где М_эст, I_эст – максимальные значения момента и тока в нагрузочных  диаграмах;

       λ – коэффициент перегрузки двигателя

Если предварительно выбранный двигатель не проходит по нагреву, либо по перегрузке, необходимо выбрать ближайший больший по мощности двигатель и повторить проверочные расчёты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Электромеханические свойства электропривода

 

 

Электромеханические свойства электроприводов наиболее полно и наглядно отражаются с помощью электромеханических ω=f(I) и механических ω=f(M) характеристик двигателей в электроприводе:

а) Для построения естественной механической характеристики двигателя воспользуемся уравнением:

 

                                                                                      (14)

 

 

                                                                              (15)

 

 

Скорость идеального холостого хода:

 

                                                                                        (16)

 

По координатам точек  холостого хода и номинального режима строим естественную механическую характеристику.

ῳ

 218,21 

 

208,99

 

 

11,94 М, Нм

 

Рисунок 1– Естественная механическая характеристика двигателя

 

б) Реостатные характеристики построим при дополнительных сопротивлениях Rn, равных 0,2; 0,4; 1; 1,6 от номинального сопротивления якоря двигателя.

Скорость идеального холостого хода не зависит от сопротивления  в цепи якоря двигателя.

Падение скорости на реостатных характеристиках при номинальном  моменте:

                                                                                (17)

 

 

Пропорционально сопротивлению  якорной цепи. Данные расчётов свести в таблицу 1.

 

Таблица 1 –Данные для построения искусственной механической характеристики

	0,95	1,1	1,576	2,05
	11,16	12,88	18,45	23,997
	207,09	205,37	199,8	194,25

 

Расчёты и построения ограничить по моменту допустимой перегрузкой  и по скорости - её максимально допустимым значениям, которые указываются в паспортных данных двигателя.

 ω

218,25 

 

 

207,09

205,37

 

199,80

194,25

 

11,94 М, Нм

Рисунок 2 – Искусственная характеристика двигателя

 

в) Построение механических характеристик двигателя в режиме динамического торможения, которое может быть использовано при любой скорости вращения якоря двигателя, произведём, когда якорь замкнут накоротко на сопротивление торможения, обмотка возбуждения остается включенной в сеть для создания неизменного магнитного потока.

Уравнение механической характеристики в режиме динамического  торможения:

 

                                                                                           (18)

 

где    R_m = 0.6·R_Я;  КФ = КФ_Н

 

Данную характеристику можно построить по двум точкам координат:

 

1)

 

R_m = 0,6·0,788=0,473;

 

 

2)

 

 

 

ω 

                             14,76

 

 

 

 

 

 

 

                    -11,94 М, Нм

 

Рисунок 3 – Механическая характеристика двигателя в режиме динамического торможения

 

г) Зная уравнение механической характеристики, рассчитаем и построим характеристики при понижении питания двигателя , при :

 

;

 

101,85  

 

 

 

 92,59 

 

 

11,94            М, Нм

Рисунок 4 – Механическая характеристика при понижении

питания двигателя

 

 И ослаблении магнитного потока , при :

 

 

 

291  

 

274,5 

 

 

 

  

                  11,94 М, Нм

Рисунок 5 – Характеристика двигателя при ослаблении магнитного потока

 

д) Для построения механических характеристик при изменении  температуры, учтём температурную зависимость сопротивления.

 

                                                                                    (19)

 

где   – номинальное сопротивление двигателя, Ом;

tк – конечная температура нагрева двигателя;

tн – начальная температура двигателя;

α – температурный коэффициент;

tк = 80°C; tн = 20°C; α =0,01

 

 

Номинальное значение ЭДС  двигателя с учётом сопротивления Rt будет определяться:

 

                                                                                           (20)

 

 

Изменится коэффициент  двигателя:

                                                                                          (21)

 

 

Подставляя полученные значения в формулу (14), получим механическую характеристику с учётом нагрева обмоток двигателя:

 

 

 

 

220 

 

210,59

 

 

 

       11,94

М, Нм

Рисунок 6 – Механическая характеристика двигателя при изменении температуры

 

Вывод: в данной части  рассмотрели механические характеристики выбранного двигателя, построили механические характеристики двигателя при изменении температуры, изменении магнитного потока, в режиме динамического торможения, а также естественную и искусственную механические характеристики.

 

4 Функциональная схема электропривода

 

 

Функциональная схема  необходима для того, чтобы выяснить, какие функциональные блоки необходимы для реализации системы ЭП. Функциональная схема содержит блоки преобразования силовой энергии, двигатель, измерительные преобразователи, согласующие устройства, функциональные преобразователи, блоки управления, датчики. По функциональной схеме определяют, какие блоки необходимо использовать при составлении структурной схемы ЭП.

Функциональная схема  позволяет определить, как проходит по схеме силовая энергия (энергия, необходимая для выполнения технологического процесса) и по каким элементам схемы проходит сигнал управления.

 

Рисунок 6 – Функциональная схема электропривода

 

Функциональная схема электропривода включает в себя:

1. Регулятор скорости;
2. Регулятор тока;
3. Система импульсного фазового управления;
4. Тиристорный преобразователь;
5. Трехфазный трансформатор;
6. Двигатель постоянного тока;
7. Шунт;
8. Тахогенератор.

Основной задачей при  построении систем автоматического регулирования является правильный выбор, установка, наладка и эксплуатация систем регулирования. В настоящее время автоматизируются все более сложные объекты, а также наблюдается тенденция вытеснения аналоговых систем управления цифровыми. Объясняется это широкими возможностями по реализации самых совершенных алгоритмов регулирования, что, в свою очередь, гарантирует получение высокой точности и хорошего быстродействия в замкнутой системе непосредственного цифрового управления. Поэтому для применения систем управления и регулирования от пользователя требуются определенные знания по теории автоматического управления.

В системе используется ПИ и П-регуляторы.

Пропорциональная составляющая вырабатывает выходной сигнал, противодействующий отклонению регулируемой величины от заданного значения, наблюдаемому в данный момент времени. При использовании только пропорционального регулятора значение регулируемой величины никогда не стабилизируется на заданном значении. Чем больше коэффициент усиления, тем меньше статическая ошибка, однако при слишком большом коэффициенте усиления могут начаться автоколебания и система может потерять устойчивость.

Для устранения статической ошибки используют интегральную составляющую. Если система не испытывает внешних возмущений, то через некоторое время регулируемая величина стабилизируется на заданном значении, сигнал пропорциональной составляющей будет равен нулю, а выходной сигнал будет полностью обеспечивать интегральная составляющая.

Система импульсно-фазного  управления (СИФУ) предназначена для преобразования постоянного управляющего напряжения в последовательность управляющих импульсов соответствующей фазы, подаваемых на управляющие переходы тиристоров силовых вентильных комплектов.

Тиристорные преобразователи предназначены для преобразования трехфазного тока промышленной частоты в переменный ток средней частоты для питания на задаваемых нагрузкой выходных частотах автономного (колебательного) контура электро-технологической нагрузки. 
ТПЧ выполнены на базе двухзвенного преобразователя частоты.

Для трехфазных управляемых  выпрямителей СИФУ включает в себя следующие узлы:

1) источник синхронизирующего напряжения  ИСН;

2) три формирователя импульсов  ФИ;

3) управляющий орган УО:

4) шесть усилителей импульсов  УИ;

5) три вводных устройства ВУ для нереверсивного, шесть вводных устройств для реверсивного устройства.

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток на каком-либо магнитном проводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений) переменного тока без изменения частоты системы (напряжения) переменного тока (ГОСТ 16110-82).

Трансформатор осуществляет преобразование напряжения переменного тока и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения — электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод(сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала.

 
Рисунок 7 – Трехфазный транформатор

 

Двигатели постоянного  тока различаются по способу коммутации обмоток возбуждения. Вид подключения  обмоток возбуждения существенно  влияет на тяговые и электрические  характеристики электродвигателя. Существуют схемы независимого, параллельного, последовательного и смешанного включения обмоток возбуждения. Электрическая машина постоянного тока состоит из статора, якоря, коллектора, щеткодержателя и подшипниковых щитов. Статор состоит из станины (корпуса), главных и добавочных полюсов, которые имеют обмотки возбуждения. Эту неподвижную часть машины иногда называют индуктором. Главное его назначение — создание магнитного потока. Станина изготавливается из стали, к ней болтами крепятся главные и добавочные полюса, а также подшипниковые щиты. Сверху на станине имеются кольца для транспортирования, снизу — лапы для крепления машины к фундаменту. Главные полюса машины набираются из листов электротехнической стали толщиной 0,5 -1 мм с целью уменьшения потерь, которые возникают из-за пульсаций магнитного поля полюсов в воздушном зазоре под полюсами. Стальные листы сердечника полюса спрессованы и скреплены заклепками.

 

 
I — вал; 2 — передний подшипниковый  щит; 3 — коллектор; 4 — щеткодержатель; 5 — сердечник якоря с обмоткой; б — сердечник главного полюса; 7 — полюсная катушка; 8 — станина; 9 — задний подшипниковый щит; 10 — вентилятор; 11 — лапы; 12 — подшипник.

                       Рисунок 8 – Машина постоянного тока

 
 
а — главный полюс; б — дополнительный полюс; в — обмотка главного полюса; г — обмотка дополнительного  полюса; 1 — полюсный наконечник; 2 —  сердечник.

Рисунок 9 – Полюса машины постоянного тока 

В полюсах различают  сердечник и наконечник (рисунок 2). На сердечник надевают обмотку  возбуждения, по которой проходит ток, создавая магнитный поток. Обмотка  возбуждения наматывается на металлический  каркас, оклеенный электрокартоном (в больших машинах), или размещается на изолированном сердечнике (малые машины). Для лучшего охлаждения катушку делят на несколько частей, между которыми оставляют вентиляционные каналы. Добавочные полюса устанавливаются между главными. Они служат для улучшения коммутации. Их обмотки включаются последовательно в цепь якоря, поэтому проводники обмотки имеют большое сечение.

Якорь машины постоянного  тока состоит из вала, сердечника, обмотки  и коллектора. Сердечник якоря  собирается из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм и спрессовывается с обеих сторон с помощью нажимных шайб. В машинах с радиальной системой вентиляции листы сердечника собираются в отдельные пакеты толщиной 6-8 см, между которыми делают вентиляционные каналы шириной 1 см. При осевой вентиляции в сердечнике выполняют отверстие для прохождения воздуха вдоль вала. На внешней поверхности якоря имеются пазы для обмотки.