Автоматизированный привод промышленной стиральной машины

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

 

Белорусский национальный технический  университет

Факультет информационных технологий и робототехники

Кафедра робототехнических  систем

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

по дисциплине: Электрические машины и автоматизированный электропривод

Тема: Автоматизированный привод промышленной стиральной машины

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исполнитель:

студент гр. 107429                                                                               Трухан А. С.

 

Руководитель:                                                                                    Лившец Ю. Е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск 2012

 

Оглавление

Задание……………………………………………………………………………3

Введение…………………………………………………………………………..4

1. Ознакомление с промышленными  прачечными…………………………….5

1.1. Применение промышленных  прачечных…………………………………..5

1.2. Классификация стиральных  машин………………………………………..5

1.3. Особенность работы автоматической стиральной машины с точки зрения электропривода…………………………………………………………………...6

2. Подборка необходимого  технологического оборудования  для системы….8

2.1. Асинхронный однофазный  электродвигатель…………………………….8

2.2. Преобразователь частоты…………………………………………………10

2.3. Программируемый логический  контролер………………………………12

3. Общий алгоритм работы  системы………………………………………….13

4. Выбор основных компонентов  привода заданного механизма…………..15

4.1. Расчёт статических  нагрузок……………………………………………...15

4.1.1. Приведение моментов  сопротивления к валу двигателя……………...20

4.1.2. Расчёт динамических  моментов и построение упрощённой  нагрузочной и скоростной диаграммы  электропривода……………………………………20

4.1.3. Проверка выбранного  двигателя по нагреву, пусковой и перегрузочным способностям…………………………………………………………………...22

4.2. Выбор преобразователя  частоты…………………………………………24

4.3. Выбор датчика уровня жидкости………………………………………...25

4.4. Выбор датчика температуры  жидкости…………………………………25

4.5. Выбор ПЛК………………………………………………………………...26

5. Разработка принципиальной  схемы………………………………………..27

6. Настройка преобразователя частоты……………………………………….30

Литература………………………………………………………………………31

Задание

 

Промышленная стиральная машина с загрузкой белья до 25 кг. Нужно спроектировать электропривод, зная следующие параметры:

Масса пустого барабана – 60 кг

Объём барабана – 0.22 М³

Плотность суспензии – 1300 кг/м³

Суммарная масса барабана с загрузкой – 85 кг

Наружный радиус барабана – 0.35 м

Работа привода осуществляется с одного преобразователя частоты.  Данная стиральная машина имеет 3 режима работы:

• Начальная стирка
• Полоскание

Отжим

 

Введение

 

Практически во всех технологических  процессах важное место занимает электропривод и является основным управляемым источником механической энергии.

Электропривод представляет собой электромеханическую систему, преобразующую электрическую энергию  в механическую. Посредством этой системы приводятся в движение рабочие органы технологических (производственных) машин и осуществляется управление преобразованной энергией.

В данном курсовом проекте  разрабатывается автоматизированный привод промышленной стиральной машины для прачечной.

Для проектирования данного  привода учитываются следующие  особенности работы механизма. В  самом начале выбирается электродвигатель, а далее всё необходимое оборудование для управления им. В курсовом проекте  для управления электродвигателем  будет использоваться преобразователь  частоты. Для  выполнения необходимого цикла работы механизма и согласования данных с датчиков состояния системы использовали программируемый логический контролер.

Также были выполнены все  необходимые расчёты для выбора выше сказанного оборудования, а также  его настройка и составлена принципиальная схема управления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Ознакомление с промышленными прачечными

 

1. Применение промышленных прачечных

 

Прачечная — предприятие бытового обслуживания, производящее стирку и последующую обработку белья. Услугами прачечных пользуются, как правило, предприятия и организации, которым требуется большое количество чистого белья — больницы, гостиницы и т. п.

Стадии процесса:

• сортировка, т.е. поскольку бельё из разных типов ткани требует разных режимов стирки, то после поступления белья в прачечную все бельё сортируется и раскладывается по контейнерам с однотипным бельём.
• стирка, т.е. стирка белья в прачечных производится в промышленных стиральных машинах, которые отличаются от домашних.
• ополаскивание

сушка [1]

 

1. Классификация стиральных машин

 

Стиральные машины классифицируются:

• По типу рабочего органа: активаторные и барабанные. Барабанные стиральные машины получили большее распространение в связи с простотой автоматизации, более бережной стиркой, экономией воды и моющего средства по сравнению с активаторными; однако они отличаются большей сложностью и меньшей надёжностью. Автоматические стиральные машины в основном барабанного типа.
• По степени автоматизации: автоматические и полуавтоматические. Полуавтоматические стиральные машины имеют только таймер для установки времени стирки, автоматические - имеют программное управление. У автоматических стиральных машин может быть различная степень автоматизации: начиная от просто выполнения стирки по заданной программе и заканчивая автоматической оценкой количества воды, моющего средства, температуры, скорости отжима.
• По способу загрузки: вертикальные и фронтальные. Активаторные машины обычно имеют вертикальную загрузку. Барабанные бывают как с вертикальной, так и с фронтальной загрузки. У машины с фронтальной загрузкой обычно имеется прозрачный люк для контроля стирки.
• По весу загружаемого сухого белья.

По применению: бытовые и промышленные (для прачечных). [1]

 

1. Особенность работы автоматической стиральной машины с точки зрения электропривода

 

В качестве привода барабана в стиральных машинах используются коллекторные или асинхронные однофазные электродвигатели. Коллекторные электродвигатели дают возможность плавного регулирования  скорости вращения и получение высокой  скорости вращения барабана в режиме отжима. Асинхронные однофазные электродвигатели отличаются от коллекторных простотой конструкции, большей надёжностью и дешевизной. Скорость вращения вала асинхронного электродвигателя с двумя обмотками равна 2800 об/мин. Эта скорость кратным образом зависит от числа обмоток: при 16 обмотках скорость в 8 раз меньше, чем при одной паре обмоток и равна 350об/мин.  В ряде моделей стиральных машин используются электродвигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов из высококоэрцитивного сплава. Электродвигатели постоянного тока обеспечивают широкие возможности выбора режимов работы по сравнению с асинхронными двигателями. Высокий пусковой момент двигателя постоянного тока позволяет начинать режим отжима при наличии в баке стирального раствора, что снижает уровень вибрации и исключает скручивание и сминание тканей.

В современных стиральных машинах применяются три вида систем управления программами обработки  белья:

1. Электромеханическая
2. Смешанная
3. Электронная

Электромеханическая система  управления применяется достаточно широко в относительно недорогих  моделях автоматических стиральных машин. Принцип построения систем управления основан на том, что процессы обработки  белья в автоматических стиральных машинах условно разделяются  на две группы: основные операции (предварительная  и основная стирка, полоскание, отжим, сушка) и операции по обеспечению  необходимых параметров воды (уровня, температуры).

Продолжительность основных операций задаётся на этапе проектирования машины. Особенностью операций 2-ой группы является их зависимость от ряда  факторов, таких, как величина питающего напряжения, давления воды в водопроводной магистрали, степень засоренности фильтра. Величина напряжения сети может сокращать или увеличивать продолжительность операции нагрева воды до заданной температуры, изменять производительность насоса. Давление в водопроводной магистрали влияет на продолжительность наполнения бака водой до заданного уровня, засорение  фильтра в процессе эксплуатации снижает его пропускную способность и увеличивает продолжительность слива воды.

Блок схема электромеханической  системы управления приведена на рисунке 1.4. . С помощью рукоятки выбора программ и набора управления (функциональных кнопок) на панели управления пользователь устанавливает исходное положение  контактов управления, программных  контактов и программных кулачков. [2]

Рисунок 1.4. -  Блок схема  электромеханической системы управления стиральной машины

 

 

2. Подборка необходимого технологического оборудования для системы

2. Асинхронный однофазный электродвигатель

 

Однофазный асинхронный  двигатель состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора. Статор электродвигателя выполняется цилиндрическим и набирается из листов электротехнической стали. В пазы статора помещаются две однофазные обмотки: рабочая и пусковая. Ротор представляет собой цилиндрический сердечник, набранный из круглых пластин с отверстиями по окружности. Стержни,  соединяющие пластины ротора, замыкаются кольцами. Сердечник ротора напрессовывается на вал.

По способу запуска  однофазные асинхронные двигатели  разделяются на двигатели с пусковой обмоткой повышенного сопротивления, отключаемой сразу после разгона  ротора, двигатели с конденсаторным пуском и конденсаторные с пусковым короткозамкнутыми витками на расщеплённых полюсах.

Двигатели с пусковой обмоткой повышенного сопротивления просты по конструкции и дешевы, не имеют  дополнительного фазосдвигающего  элемента. Время подключения пусковой обмотки к сети не превышает 5 секунд. Двигатели имеют достаточно хорошие  пусковые характеристики (кратность  начального пускового момента –  до 1,5), однако кратность пускового  тока достигает 10 и более.

Для улучшения пусковых характеристик  последовательно с пусковой обмоткой включается пусковой конденсатор (рисунок 2.2.), наличие которого приводит в  увеличение сдвига фаз и пускового  крутящего момента. После пуска  конденсатор отключается, поэтому  все остальные характеристики двигателя  сохраняются такими же, как и у двигателя с пусковой обмоткой повышенного сопротивления.

   

Рисунок 2.2. – Схемы запуска  электродвигателя

а) схема с пусковой обмоткой; б) схема с пусковым конденсатором. М – основная обмотка. А – пусковая обмотка

 

Реверс направления вращения электродвигателя, необходимый на этапе  стирки для попеременного вращения барабана в разные стороны, осуществляется путём переключения обмоток электродвигателя (рисунок 2.3.)

Рисунок 2.3. – Схемы переключения обмоток электродвигателя при реверсивном  вращении: а) обмотка А – питание от сети, обмотка В – через конденсатор; б) обмотка В – питание от сети, обмотка А – через конденсатор; в) переключатель реверса

 

На рисунках 2.4. и 2.5. показаны электрические схемы включения  асинхронных однофазных электродвигателей  . [2]

Рисунок 2.4. – Электрические  схемы включения асинхронных  однофазных электродвигателей с  пусковой обмоткой: ПО – пусковая обмотка; РО – рабочая обмотка; Т⁰ – температурное реле; П – пускатель; ВЦ – выключатель

 

Рисунок 2.5. – Электрические  схемы включения асинхронных  однофазных электродвигателей с  пусковой обмоткой и конденсатором: ПО – пусковая обмотка; РО – рабочая  обмотка; С – конденсаторы пусковой обмотки; ПК – пусковая кнопка; Р – реле пускозащитное; 1, 2, 3 – выводные концы

2. Преобразователь частоты

 

Частотный преобразователь  в комплекте с асинхронным  электродвигателем позволяет заменить электропривод постоянного тока. Системы регулирования скорости двигателя постоянного тока достаточно просты, но слабым местом такого электропривода является электродвигатель. Он дорог и ненадежен. При работе происходит искрение щеток, под воздействием электроэрозии изнашивается коллектор.  Такой электродвигатель не может использоваться в запыленной и взрывоопасной среде.

Управление асинхронным  электродвигателем в частотном  режиме до недавнего времени было большой проблемой, хотя теория частотного регулирования была разработана  еще в тридцатых годах. Развитие частотно-регулируемого электропривода сдерживалось высокой стоимостью преобразователей частоты. Появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микропроцессорных систем управления  позволило различным фирмам Европы, США и Японии создать современные преобразователи частоты доступной стоимости.

Известно, что регулирование  частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять  при помощи различных устройств: механических вариаторов,  гидравлических муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты.

Применение первых четырех  устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости,  неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации. 
      Статические преобразователи частоты являются наиболее совершенными устройствами управления асинхронным приводом в настоящее время. 

Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что,  изменяя частоту f1 питающего напряжения, можно в соответствии с выражением

 

неизменном числе  пар полюсов p изменять угловую скорость магнитного поля статора. 
    Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью. Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики. Для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение. Закон изменения напряжения зависит от характера  момента  нагрузки Mс .  При постоянном  моменте   нагрузки Mс=const напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте

 

Для вентиляторного характера момента нагрузки это состояние имеет вид

 

При моменте нагрузки, обратно  пропорциональном скорости

 

Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования  частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь  частоты должен обеспечивать одновременное  регулирование частоты и напряжения на статоре асинхронного двигателя. Преобразователь частоты состоит  из неуправляемого диодного силового выпрямителя В, автономного инвертора , системы  управления ШИМ, системы автоматического регулирования, дросселя Lв и конденсатора фильтра Cв (рисунок 2.3.). Регулирование выходной частоты fвых. и напряжения  Uвых осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления.

 Широтно-импульсное управление  характеризуется периодом модуляции,  внутри которого обмотка статора  электродвигателя подключается  поочередно к положительному  и отрицательному полюсам выпрямителя. [3]

2. Программируемый логический контролер

 

Основной принцип действия очень прост:

 

• Контроллер считывает состояние входов, т.е. датчиков и управляющих кнопок..
• Программа, хранящаяся в контроллере, использует эти входы для анализа логики управления. Во время обработки программы контроллер обновляет данные.
• контроллер записывает данные на выходы, т.е. подаёт сигналы на исполнительные устройства.

На рисунке 2.5. показана связь  между простой коммутационной схемой и контроллером. В этом примере  состояние выключателя для запуска  двигателя логически связано  с состояниями других входов. Оценки этих состояний определяют затем  сигнальное состояние выхода для  исполнительного устройства, которое  запускает двигатель.

Рисунок 2.5. - Связь между простой  коммутационной схемой и контроллером

 

Контроллер выполняет  все задачи в цикле. Контроллер выполняет  последовательность задач неоднократно. Эта регулярная обработка задач  называется циклом. ПЛК контроллер выполняет в цикле большинство или все из следующих задач:

- Чтение входов: ПЛК копирует  состояние физических входов  в регистр входов образа процесса.

- Выполнение логики управления  в программе: ПЛК выполняет  команды программы и сохраняет  значения в различных областях  памяти.

- Обработка запросов на  обмен данными: ПЛК выполняет  все задачи, необходимые для обмена  данными.

• Самодиагностика CPU: ПЛК проверяет, чтобы встроенное программное обеспечение, программная память и все модули расширения работали надлежащим образом.
• Запись в выходы: Значения, хранящиеся в регистре выходов образа процесса, записываются в физические выходы.

Выполнение программы  пользователя зависит от того, находится  ли ПЛК в состоянии STOP или в  состоянии RUN. В состоянии RUN ваша программа  выполняется; в состоянии STOP ваша программа  не выполняется. [4]

 

3. Общий алгоритм работы системы

 

Задачей механизма является стирка текстильных изделий, таких как  одежды, постельного и нижнего  белья сумок и других вещей. При включении первым делом происходит блокировка люка За это отвечает либо термозамок, либо электрозамок. Далее открывается электромагнитный клапан, который запускает воду в контейнер для моющих средств. Затем, вода с моющими средствами опускается в бак. Так как бак у нас герметичный, то вода создаёт некоторое воздушное давление, которое передаётся на датчик уровня этой воды. Достигнув заданного давления, датчик уровня даёт команду на отключение клапана и включение электродвигателя, который приводит в движение барабан стиральной машины.

Когда бельё впитывает часть  воды, то датчик уровня может вновь  опускаться в нижнее положение и  давать команду клапану на доливку  воды. В зависимости от выбранной  программы далее включается тэн. Вода нагревается, улучшая качество стирки. Заданную температуру отслеживает термостат, отключая тэн на нужном уровне нагрева. Далее машина плавно переходит к полосканию.

После основной стирки грязная вода сливается с помощью насоса, набирается чистая и так несколько раз может происходить полоскание. Затем происходит окончательный слив и когда датчик уровня опускается в нижнее положение, включается двигатель. Происходит балансировка белья, предварительный и затем окончательный отжим.

 Алгоритм работы привода  представлен на рисунке 3.1

Рисунок 3.1- Алгоритм работы систем 

5. Выбор основных компонентов привода заданного механизма

 

4.   Расчёт статических нагрузок

 

Расчет мощности производится по пусковому режиму, причем общая  требуемая мощность состоит из нескольких слагаемых

 

где Р1 - мощность, затрачиваемая на преодоление момента инерции барабана

 

где m_б - масса пустого барабана, 60 кг; v - окружная скорость барабана, м/с; τ_n - длительность пуска, 60 с

 

Р2 - мощность, затрачиваемая на преодоление инерции массы материала

 

где V_б - объем барабана, 0.22 м³; ρ_с - плотность суспензии,1300 кг/м³

 

Р3 - мощность, затрачиваемая  на преодоление трения в подшипниках  вала

 

где m_∑ - суммарная масса барабана с загрузкой и других вращающихся деталей, связанных с валом, 85 кг; f - коэффициент трения, находящийся в следующих пределах: f=0,07÷0,1; v_в - линейная скорость цапфы вала,5 м/с; g=9,81 м/с² - ускорение свободного падения

 

где R - наружный радиус барабана, 0.35 м; n - частота вращения барабана, об/мин

 

Таким образом, полная потребляемая мощность с учетом потерь в передачах  и подшипниках редуктора двигателя  составляет

 

где η_Р - КПД редуктора; η_ДВ - КПД двигателя

 

Для расчета статических  нагрузок принимаем следующий цикл работы:

• Запуск механизма
• Работа с частотой вращения стирки - 34 с
• Работа с частотой вращения полоскания - 35с
• Работа с частотой вращения отжима - 18сК

   Таким образом,  в соответствии с циклограммой  имеем три рабочих участка  электропривода стиральной машины.

 

Для последующего расчета  зададимся некоторыми характеристиками работы механизма:

 

№участка	nц об/мин	nДВ,об/мин	Wц, рад/с	wДВ,рад/с	МС,Н*м
1	180	180	18,84	18,84	310
2	1240	1240	129,78	129,8	40
3	70	70	7,33	7,33	600

 

Определим статические нагрузки механизма на каждом из рабочих участков.

Рассмотрим 1-ый участок работы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим 2-ой участок работы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим 3-ий участок работы механизма

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Далее определим моменты, действующие  в статических режимах

 

 

   

 

 

На основе рассчитанных значений построим нагрузочную и скоростную диаграмму работы механизма

Рисунок.4.2 Нагрузочная и  скоростная диаграммы работы механизма

 

Для предварительного выбора электродвигателя рассчитаем средний  эквивалентный момент на валу механизма  за цикл работы

где М_с. i. - статический момент на i-ом интервале нагрузочной диаграммы механизма; t_i - продолжительность i-го интервала; t_c - время цикла; n - число интервалов в цикле;

 

 

 

Для предварительного выбора приводного электродвигателя определяющее значение играет режим работы двигателя  в системе и соответствие выбранного двигателя данному режиму работы механизма.

Принимая во внимание специфику  процесса, делаем вывод о том, что  проектируемый электропривод будет  работать в кратковременном режиме, то есть в режиме S2.

Мощность двигателя, работающего  в длительном циклическом режиме с переменной нагрузкой можно  рассчитать по среднеквадратичному  статическому моменту М_СЭ

 

 

 

 

где к - коэффициент запаса, учитывает динамические нагрузки, к=1,2

 

 

 

В данном случае был выбран общепромышленный, унифицированный, асинхронный  трёхфазный двигатель АИР112М4, который  имеет следующие характеристики

 

Тип двигателя	АИР112М4
1. Номинальная мощность, кВт Pном	5.5
2. Ток статора, А Iст	11.3
3. Синхронная частота вращения, мин-1;	1500
4. Номинальное скольжение, % Sном	4.5
5. КПД, %;	85.5
6. Номинальное напряжение питания,  В Uном	220, 380, 660
7. Iпуск/Iном;	7
8. Мп/ Мном Нм;	2
9. Мmax/ Мном Нм;	2.5
10. Мmm/ Мном Нм;	1.6

 

 

[5] 

4. Приведение моментов сопротивления к валу двигателя

 

Статический момент на валу рабочей машины, приведенный к  валу электродвигателя, без учета  потерь в передаче определяется выражением

 

 

где где М_м - момент сопротивления на валу рабочей машины;

j - передаточное число

 

 

для механизма 

 

 

 

Приведем моменты к  валу электродвигателя

 

 

 

 

 

 

[5]

4. Расчёт динамических моментов и построение упрощённой нагрузочной и скоростной диаграммы электропривода

 

Нагрузочная диаграмма электропривода представляет собой зависимость  электромагнитного момента М, тока I или мощности Р от времени. В тех случаях, когда момент и ток связаны линейной (или примерно линейной) зависимостью, обычно нагрузочную диаграмму строят для момента, который определяют из основного уравнения движения электропривода

 

где М_С - статический момент на валу двигателя; М_дин - динамический момент электропривода; J_Σ - суммарный момент инерции электропривода, кг·м².

Динамический момент электропривода М_дин определим приближенно, принимая линейным закон изменения скорости, т.е.

 

 

где ω_уст - установившаяся скорость двигателя на данном участке скоростной диаграммы, рад/с; t_{п. т.} - время пуска (торможения), с; ε_доп - допустимое угловое ускорение (замедление), рад/с

В нашем случае допустимое ускорение выберем, исходя из обычных  условий запуска двигателя

 

Определим угловое ускорение. Для этого предположим, что время  разгона нашего двигателя до номинальной  скорости будет равно 5 секунды, тогда

Определим суммарный момент инерции электропривода:

 

где δ=1,15÷1,3 - коэффициент, учитывающий момент инерции вращающихся масс передаточного механизма; J_дв - момент инерции ротора двигателя; J_муф - момент инерции соединительной муфты, тормоза и других частей механизма, непосредственно связанных с валом двигателя; J_м - момент инерции вращающихся частей механизма; j - передаточное число редуктора; m - масса поступательно движущихся частей механизма, кг; ρ - радиус приведения.

 

В нашем случае суммарный  момент инерции будет равен

 

,  при 

Далее определим моменты  на каждом интервале нагрузочной  диаграммы. Исходя из основного уравнения  электропривода

 

 

 

В соответствии с заданным циклом работы электропривода, рассчитаем три момента системы

 

 

 

 

 

Естественный останов  двигателя после выключения обеспечивает тормозной момент M_T. Время естественного останова двигателя принимаем 10 с. Тогда имеем