САУ электроприводом пассажирского лифта
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П.О.СУХОГО
Факультет автоматизированных и информационных систем
Кафедра «Автоматизированный электропривод»
РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту
по дисциплине «Системы управления электроприводами»
на тему: «САУ электроприводом пассажирского лифта»
Исполнитель: студент гр. ЭП-42
Руководитель: Дорощенко И.В.
Дата проверки:
______________________________
Дата допуска к защите:
______________________________
Дата защиты:
______________________________
Оценка работы:
______________________________
Подписи членов комиссии
по защите курсовой работы:
______________________________
Гомель 2013
Введение
Подъемные машины повторно-кратковременного режима работы в различных конструктивных исполнениях находят широкое применение во всех отраслях народного хозяйства. К числу наиболее распространенных разновидностей механизмов вертикального транспорта следует отнести лифты, применение которых в народном хозяйстве и на промышленных предприятиях приобретает все большее значение. Лифты предназначены для транспортировки пассажиров и грузов в производственных и административных зданиях. Они выполняются высокоавтоматизированными, общедоступными, комфортабельными и безопасными. Все операции при открывании и закрывании дверей, передвижении, замедлении и точной остановки кабины лифта осуществляется с помощью электропривода.
Электропривод большинства грузоподъёмных машин характеризуется повторно-кратковременном режимом работы при большой частоте включений, широком диапазоне регулирования скорости и постоянно возникающих значительных перегрузках при разгоне и торможении. Особые условия использования электропривода в грузоподъёмных машинах явились основой для создания специальных серий электрических двигателей и аппаратов.
В данном курсовом проекте необходимо спроектировать систему автоматического управления электроприводом пассажирского лифта. При проектировании таких механизмов необходимо брать в учет высокие требования безопасности и комфортабельности, которые предъявляются к ним. К этим требованиям относятся точность остановки, ускорение и рывок. Спроектированная система автоматического управления должна отвечать всем этим требованиям.
1. Технические характеристики механизма.
Требования к САУ ЭП
Лифты являются механизмами вертикального транспорта, предназначенными для транспортировки пассажиров в жилых, производственных и административных зданиях. Эти установки выполняются с высокой степенью автоматизации. Они отличаются общедоступностью пользования, комфортабельностью и безопасностью.
Основными требованиями, предъявляемыми к электроприводам лифтов, являются:
- возможность реверса;
- точная остановка кабины на заданном уровне;
- обеспечение минимального времени переходных процессов при строго ограниченных максимальных значениях ускорения и рывка;
- безопасность;
- надёжность;
- плавность разгона, движения и торможения;
- работа лифта не должна сопровождаться высоким уровнем шума и вызывать помехи теле- и радиоприёму.
Весьма существенным вопросом, который решается при проектировании электропривода, является точная остановка кабины на заданном уровне, с заданной точностью остановки. Неточная остановка влечет за собой снижение производительности и комфортабельности лифта, что крайне неблагоприятно.
Эффективным путем повышения точности остановки является переход на пониженную скорость, с которой кабина подходит к датчику точной остановки.
Так как точность остановки Δs = ±25 мм, а скорость кабины υ = 2 м/с, то по графику зависимости диапазона регулирования от точности остановки ([1], рис.1.2) получаем диапазон регулирования D = 16.
Угловая скорость двигателя (требуемая по заданию):
Радиус приведения механизма:
По заданию курсового проекта нужно обеспечить момент:
Для выбора тормоза определяем необходимый тормозной момент:
Мт ≥ Кз · Mcmax = 1,5 · 174 = 261 Н·м,
где Кз = 1,5 – коэффициент запаса;
Мсmax = 174 Н·м – максимальный приведенный статический момент.
Выбираем тормоз ТКП-300 ([1], с.140) с тормозным моментом Мт = 500 Н·м.
Кинематическая схема лифта приведена на рис. 1.
Рис. 1. Кинематическая схема лифта:
1 - электродвигатель; 2 - тормоз (муфта
с тормозным шкивом и
2. Выбор системы электропривода и типоразмера электродвигателя
Важнейшим требованием, предъявляемым к электроприводу подъёмных установок, является требование обеспечения заданной точности. Это требование при заданной рабочей скорости механизма и известных пределах изменения его нагрузки определяет необходимый диапазон регулирования скорости и условия ограничения ускорения и, таким образом, непосредственно влияет на выбор той или иной системы электропривода.
Наиболее жёсткие требования в отношении поддержания постоянства ускорения и необходимого диапазона регулирования скорости предъявляются к электроприводу шахтных клетевых подъёмных машин, скоростных лифтов, а также маятниковых канатных дорог. Эти установки отличает высокий уровень рабочей скорости движения подъёмного сосуда или кабины (более 1,5 м\с, для скоростных лифтов) и значительные пределы изменения момента статического сопротивления, определяемые степенью загрузки клети или кабины. Необходимый диапазон регулирования скорости по условию точной остановки здесь обычно больше 10(в нашем случае диапазон регулирования составляет 16), и обеспечить заданную производительность перечисленных установок можно лишь применением замкнутых систем электропривода: Г-ДПТ НВ, ТП- ДПТ НВ или ПЧ-АД (векторное или скалярное управление).
Определим цену системы ТП- ДПТ НВ:
где ЦТП – цена тиристорного преобразователя ЭПУ1-2-4327М-УХЛ4,
ЦТП = 350 у.е.;
ЦДПТ НВ – цена двигателя постоянного тока 2ПФ200LГУХЛ4,
ЦДПТ НВ = 2500 у.е..
Определим цену системы Г- ДПТ НВ:
где ЦАД – цена асинхронного двигателя АИР200М6УХЛ4, ЦАД = 1500 у.е.;
Определим цену системы ПЧ-АД (векторное управление):
где ЦПЧ ВУ – цена преобразователя частоты с векторным управлением
LENZE ESV 223 N04 TXD, ЦПЧ ВУ = 2300 у.е..
Определим цену системы ПЧ-АД (скалярное управление):
где ЦПЧ СУ – цена преобразователя частоты со скалярным управлением
LENZE ESDM 223 L4 TXA, ЦПЧ CУ = 1500 у.е..
Выбираем систему электропривода в соответствии с оценкой технологических параметров заданного механизма по таблице 1.
Таблица 1
Таблица вариантов сравнения различных систем электроприводов
Характеристика |
ТП- ДПТ НВ |
ПЧ-АД (векторное управление) |
ПЧ-АД (скалярное управление) |
Г-ДПТ НВ |
Значи-мость | ||||
Оценка |
Оценка на значи-мость |
Оценка |
Оценка на значи-мость |
Оценка |
Оценка на значи-мость |
Оценка |
Оценка на значи-мость | ||
Масса |
5 |
20 |
5 |
20 |
5 |
20 |
1 |
4 |
4 |
Надёжность |
4 |
16 |
4 |
16 |
4 |
16 |
4 |
16 |
4 |
Помехоустойчивость |
3 |
12 |
3 |
12 |
3 |
12 |
4 |
16 |
4 |
Габариты |
4 |
16 |
4 |
16 |
4 |
16 |
1 |
4 |
4 |
КПД |
5 |
20 |
5 |
20 |
5 |
20 |
2 |
8 |
4 |
Внешнее оформление |
4 |
4 |
4 |
4 |
4 |
4 |
3 |
3 |
1 |
Затраты |
5 |
25 |
3 |
15 |
4 |
20 |
1 |
5 |
5 |
Сумма (оценка) |
30 |
- |
28 |
- |
29 |
- |
16 |
- |
- |
Сумма (оценка на значимость) |
- |
113 |
- |
103 |
- |
108 |
- |
56 |
- |
Из таблицы 1 видно, что система ТП- ДПТ НВ лучше других подходит для заданного механизма.
Выбор двигателя осуществлялся с учётом исходных данных. Требовалось по заданию обеспечить частоту вращения двигателя 870 об\мин, и мощность 15 кВт.
Выбираем электродвигатель 2ПФ200LГУХЛ4 ([2], с.384). Параметры двигателя заносим в таблицу 2.
Таблица 2
Параметры электродвигателя 2ПФ200LГУХЛ4
Номинальная мощность Рн, кВт |
20 |
Номинальное напряжение Uн, В |
220 |
Номинальная частота вращения nн, об/мин |
1000 |
Максимальная частота вращения nmax, об/мин |
3300 |
Номинальное КПД ηн, % |
85,5 |
Сопротивление обмотки якоря (15˚С) Rяд15°, Ом |
0,083 |
Сопротивление обмотки добавочных полюсов (15˚С) Rдп15°, Ом |
0,053 |
Сопротивление обмотки возбуждения (15˚С) Rвд15°, Ом |
55 |
Индуктивность цепи якоря Lяд, мГн |
3,2 |
Момент инерции двигателя Jдв, кг·м2 |
0,3 |
Максимальная перегрузка по току (60 с) λI |
2 |
Номинальная угловая скорость вращения двигателя:
Номинальный ток якоря двигателя:
Сопротивление обмоток при рабочей температуре рассчитываем по формуле:
где α–температурный коэффициент (для меди );
∆t–разница между допустимой температурой обмотки и температурой окружающей среды (t=15 ˚c), B=1200
R-сопротивление при температуре окружающей среды (t=15 ˚c);
Rt-сопротивление при рабочей температуре.
Ом,
Произведение конструктивного коэффициента двигателя на поток:
Номинальный момент электродвигателя:
Данный двигатель обеспечивает требуемую частоту вращения
870 об/мин, проходит по мощности и по моменту:
Мн>Мтр,
202,681 Н·м >164,643 Н·м;
Pн>Pтр,
20 кВт >15 кВт.
3.
Выбор силового оборудования
и расчет параметров
Максимальный момент инерции механизма:
Jmax = (mкаб + mкан + mпв + mгр)·ρ2 =
= (2250+ 780 + 3150+ 1500) · 0,0222 = 3,701кг·м2.
где mкаб = 2250 кг – масса кабины;
mкан = 780 кг – масса канатов;
mпв = 3150 кг – масса противовеса;
mгр = 1500 кг – грузоподъемность.
Минимальный момент инерции механизма:
Jmin = (mкаб + mкан + mпв)· ρ 2 = (2250 + 780 + 3150) · 0,0222 = 2,978 кг·м2.
Суммарный максимальный момент инерции:
JΣmax = Jдв + Jmax = 0,3 + 3,701 = 4,001 кг·м2.
Суммарный минимальный момент инерции:
JΣmin = Jдв + Jmin = 0,3 + 2,978 = 3,278 кг·м2.
Выбираем электропривод ЭПУ1-2-4327М-УХЛ4 ([3], с.13). Его параметры:
2- реверсивный;
43- номинальный ток 200 А;
2- номинальное напряжение 230 В;
7- напряжение питающей сети 380 В;
М-однозонный, с обратной связью по скорости, диапазон регулирования до 1000.
Выбираем трансформатор ТСП–63/0,7–УХЛ4 ([3], с.271). Параметры трансформатора заносим в таблицу 3.
Таблица 3
Параметры трансформатора ТСП–63/0,7–УХЛ4
Номин. мощность, кВ∙А |
Напр. сетевой обмотки, В |
Вентильная обм. |
Преобразователь |
Потери, Вт |
Uк, % |
Iхх, % | |||
Напр. В |
Ток, А |
Напр. В |
Ток, А |
Рхх |
Ркз | ||||
58 |
380 |
205 |
164 |
230 |
200 |
330 |
1900 |
5,5 |
6 |
Полное сопротивление трансформатора:
где Uк – напряжение короткого замыкания;
I2 - номинальный ток вторичной обмотки трансформатора;
U2НФ – номинальное фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора
Активное сопротивление трансформатора:
где Ркз – потери короткого замыкания.
Реактивное сопротивление и индуктивность трансформатора:
где ωс– угловая скорость вращения напряжения сети
Активное сопротивление при мостовой силовой схеме тиристорного преобразователя:
где Rк – коммутационное сопротивление
где р – количество пульсаций выпрямленного напряжения за период сети (р=6 для трехфазной мостовой схемы);
Индуктивность при мостовой силовой схеме тиристорного преобразователя:
Определим ЭДС холостого хода:
где Kсх – схемный коэффициент (Kсх = 2,34 для трехфазной мостовой схемы).
Определим ЭДС под нагрузкой:
Определим угол управления тиристорами:
Определим амплитуду первой гармоники напряжения на нагрузке:
Определим необходимое значение индуpктивности на стороне выпрямленного тока:
где q– коэффициент пульсаций (q = 0,15 для трехфазной мостовой схемы).
Определим требуемую индуктивность сглаживающего реактора:
Так как требуемая индуктивность сглаживающего реактора оказалась отрицательной, то сглаживающий реактор не требуется.
Определим постоянную времени якорной цепи:
Для обеспечения ограничения ускорения и рывка рассчитаем задатчик интенсивности. Принципиальная схема задатчика интенсивности приведена на рис.2.
Рис.2. Электрическая схема задатчика интенсивности
Принимаем сопротивления:
R1=10 кОм; R6=10 кОм;
R2=10 кОм; R7=10 кОм;
R3=10 кОм; R8=10 кОм.
R4=10 кОм;
R5=10 кОм;
Рассчитаем KDA4 :
Определим требуемые ускорения и рывок:
где a - допустимое ускорение, a = 1,2 м/с2;
r - допустимый рывок, r = 4 м/с3.
Определим коэффициент обратной связи по скорости:
где Uзс – напряжение задания требуемой скорости (w = 91,106 рад/с),
Uзс = 5 В.
Для ограничения сигнала обратной связи выбираем стабилитроны серии КС107А с напряжением стабилизации Uст = 0,7 В.
Определим постоянную времени TDA5:
Определим емкость конденсатора С2:
Принимаем С2 = 24 мкФ.
Определим постоянную времени TDA3:
Определим емкость конденсатора С1:
Рассчитаем KDA2 :
Определим сопротивление резистора R9:
Принимаем R9 = 13 кОм.
4. Разработка структуры САУ
Для электропривода лифта выбираем систему регулирования скорости с частыми пусками, торможением и реверсом в виде однозонной двухконтурной системы автоматического управления скорости с подчиненным контуром тока, обеспечивающую высокое быстродействие и достаточно высокие статические показатели. Наличие внутреннего подчиненного контура тока необходимо для улучшения качества переходных процессов и для уменьшения динамической ошибки. Система автоматического управления содержит обратную связь по скорости, реализованную при помощи тахогенератора, и обратную связь по току, реализованную при помощи датчика тока якоря.
Структурная схема системы автоматического управления представлена на рис.3.
Рис.3. Структурная схема однозонной двухконтурной системы автоматического управления скоростью с подчиненным контуром тока
На входе системы автоматического управления для ограничения ускорения и рывка устанавливается задатчик интенсивности. Величину напряжения тока Uзт принимаем равной 5 В.
Коэффициент обратной связи по току:
Определим постоянную времени тиристорного преобразователя:
Определим ЭДС под нагрузкой при требуемой скорости:
Определим угол управления тиристорами при требуемой скорости:
Определим напряжение управления тиристорами при требуемой скорости:
где Uпоmax –максимальное опорное напряжение, Uпоmax = 8 В.
Определим коэффициент передачи тиристорного преобразователя:
Определим коэффициент влияния сетевого напряжения:
Так как датчики скорости (тахогенератор встроенный в двигатель) и тока (трансформаторы тока) обладают малой инерционностью, то их постоянные времени Tдс и Tдт принимаем равными нулю.
Структурная схема задатчика интенсивности представлена на рис.4.
Рис.4. Структурная схема задатчика интенсивности
5.
Синтез системы
Синтезируем регулятор тока по структурной схеме контура тока, представленной на рис. 5.
Рис.5. Структурная схема контура тока
Расчет регуляторов будем вести для минимального момента инерции механизма J = JΣmin = 3,278 кг·м2, так как при расчете регуляторов для заниженного момента инерции переходные процессы будут апериодические, а при расчете регуляторов для завышенного момента инерции – колебательные.
Определим малую постоянную времени контура тока:
Определим электромеханическую постоянную времени:
Проверим условие пренебрежения внутренней обратной связью по ЭДС ([4], с.17):
Tм>20·TmI,
0,176 с >0,067 с.
Так как условие пренебрежения внутренней обратной связью по ЭДС выплняется, то для настройки на технический оптимум в качестве регулятора тока необходим ПИ- регулятор:
Определим ограничение регулятора тока для и исключения возможности превышения максимального напряжения управления преобразователем ([4], с.22):
Для синтеза внешнего контура скорости контур тока заменяется эквивалентным апериодическим звеном:
С учетом замены контура тока якоря эквивалентным звеном структурная схема контура скорости при двухконтурном якорном канале системы управления, будет иметь вид, представленный на рис.6.
Рис.6. Структурная схема контура скорости
Определим малую постоянную времени контура тока:
Для настройки на технический оптимум необходим П-регулятор:
.
Определим ограничение регулятора скорости ([4], с.22):
Рассчитаем параметры электрической схемы регулятора тока представленной на рис. 7.
Рис.7. Электрическая схема регулятора тока
Принимаем емкость конденсатора C3 равной 1 мкФ.
Определим сопротивление резисторов R11 и R10:
Принимаем R11 = 18 кОм и R10 = 82 кОм.
Для ограничения выходного сигнала регулятора тока будем использовать стабилитроны серии КС170A с напряжением стабилизации
Uст = 7 В и прямым падением напряжения Uпр = 0,7 В.
Определим максимальное выходное напряжение регулятора тока:
Рассчитаем параметры электрической схемы регулятора скорости представленной на рис. 8.
Рис.8. Электрическая схема регулятора скорости
Принимаем сопротивление резистора R12 равной 1 кОм.
Определим сопротивление резисторов R13:
Принимаем R13 = 110 кОм.
Для ограничения выходного сигнала регулятора скорости будем использовать стабилитроны серии КС191Ф с напряжением стабилизации
Uст = 9,1 В и прямым падением напряжения Uпр = 0,7 В.
Определим максимальное выходное напряжение регулятора скорости:
6. Анализ статических показателей
Структурная схема контура скорости свернутого относительно момента изображена на рис. 9.
Рис.9. Структурная схема контура скорости относительно момента
Для получения значения статической ошибки контура по моменту сопротивления найдем передаточную функцию замкнутого контура скорости по возмущению:
Определим величину статической ошибки при номинальном моменте:
.
Определим величину относительной статической ошибки:
Сравнивая относительную статическую ошибку с требованиями, предъявляемыми к электроприводу, можно заключить, что синтез произведен верно и требуемая жесткость характеристик обеспечена.