Спец питання автоматизованого ЕП

Вступ

 

В Україні число житлових, адміністративних і культурно-побутових будівель з року в рік безперервно збільшується. Вважається, що основним завданням  є не лише збільшення квадратних метрів побудованого житла, але і зростання  якості, комфортабельності і поліпшення житлових умов.

Це у свою чергу вплине на те, якій поверховості буде житло. Вважається перспективним будівництво багатоповерхових будинків, так як скупчення великих  мас населення в містах та безперервно  зростаюча вартість землі призвели до будівництва багатоповерхових будівель, що б не змогли задовільно функціонувати  без надійної системи внутрішнього пасажирського та вантажного транспорту.

Пасажирський підйомник (ліфт) - це стаціонарна підйомна машина періодичної  дії, призначена для підйому та спуску людей і (чи) вантажу в кабіні, що рухається по жорстким прямолінійним  направляючим, у яких кут нахилу до вертикалі не більше 15 градусів.

В теперішній час парк ліфтів безперервно  росте при стійкій тенденції  пошуку нових конструктивних рішень, що відображають потреби ринку та науково-технічні досягнення в різних галузях промисловості. Спостерігається  удосконалення конструкції всіх систем обладнання підйомника з метою  зниження рівня шуму та вібрації в  будинку і кабіні підйомника, підвищення надійності пристроїв, що забезпечують безпечне застосування підйомників. Удосконалюються  системи привода та розширюються області застосування привода змінного струму з тиристорним та амплітудно-частотним  керуванням, також удосконалюються  системи управління на основі досягнень  промислової електроніки і мікропроцесорної техніки.

Загалом існує  безліч різних підйомників, що відрізняються  за призначенням та конструктивними  особливостями. Ми розглядатимемо пасажирський підйомник висотного будинку.

1 Коротка характеристика  механізму підйомника і режимів  його роботи

 

Схема підйомника представлена на рисунку. 1.1.

Рисунок 1.1 – Кинематична схема  пасажирського підйомника

 

Основні вузли схеми:

- Двигун, служить для  створення моменту на валу  канатоведучого шківа (КВШ);

• Електромагнітне гальмо, служить для створення гальмівного моменту;

• Черв'ячний редуктор, служить для приведення моментів на швидкохідному валу двигуна до тихохідному валу КВШ;

- КВШ, канатоведущій  шків, служить для створення моменту;

- Противага;

- Тяговий канат;

- Кабіна;

- Врівноважуючий канат.

Кінематична схема (рисунок 1.1) Являє собою схему взаємодії  основних вузлів ліфта, на якій показані сили взаємодії. Кабіна ліфта закріплена до тягового канату, який проходить  через КВШ і прикріпляється до противаги. Двигун лебідки при подачі на нього напруги, починає обертатися, через редуктор обертальний рух  надходить на КВШ. Канатоведущій  шків і тяговий канат перетворюють обертовий рух у поступальний. Кабіна ліфта починає підніматися. Врівноважуючий канат необхідний для  компенсації ваги тягового каната. Черв'ячний редуктор дуже простий, тому у нього ккд = 75%, а так само це дозволяє кабіні знаходиться в нерухомому положенні. Гальмо служить для зупинки  обертання двигуна, щоб кабіна точно  зупинилася на рівні поверху (± 3 см), а також для утримання її на місці. 

Основні вимоги, що пред'являються  до електроприводу підйомника:

• безпека, надійність;
• плавність розгону, руху і гальмування;
• точність зупинки кабіни;
• мінімальні і постійні втрати;
• можливість реверсування;
• максимальна продуктивність механізму  при  мінімальному часі перехідних процесів.

Робота підйомника не повинна супроводжуватися високим рівнем шуму і викликати  перешкоди теле і радіоприйому.

Режим роботи електроприводу підйомника є повторно-короткочасним з тривалістю включень 40-50 %. При цьому необхідно  враховувати, що етап руху із сталою швидкістю  може бути відсутнім (при поетажном  роз'їзді).

Однією з найважливіших  вимог, виконання якої в істотній мірі залежить від структури електроприводу і системи його управління, є необхідність обмеження прискорення і уповільнення кабіни. Максимальна величина прискорення (уповільнення) руху кабіни при нормальних режимах роботи не повинна перевищувати 2 м/с². Частота включень в годину повинна складати 100-240 разів для пасажирських підйомника.

Напруга силових електричних кіл  в машинних приміщеннях має бути не вище 660 В, що унеможливлює застосування двигунів з великою номінальною  напругою. Подача напруги живлення на двигун і електромагніт гальма має бути одночасною. Відключення  електродвигуна при зупинці кабіни повинне відбуватися після накладення гальма.  Включення запобіжників, вмикачів та ін. різних пристроїв в  коло якоря між двигуном і перетворювачем, не допускається. В разі перевантаження електродвигуна, а також при КЗ, має бути забезпечене зняття напруги  з приводного електродвигуна підйомника і накладення механічного гальма.

Задача швидкого транспортування  пасажирів, а отже, і проектування пасажирських підйомників ускладнюється  тим, що в багатоповерхових будівлях, особливо адміністративних, має місце  досить нерівномірний в часі потік  пасажирів. На рисунку. 1.2. показаний  графік руху пасажирів житлового  будинку в години найбільш напруженої роботи підйомника.

В різних ліфтах є різне завантаження, і проектування підйомників вимагає  різного підходу. Тому необхідно  застосовувати у висотних і адміністративних будівлях підйомників з підвищеними  швидкостями руху і вантажопідйомністю, які можуть забезпечити достатню пропускну  спроможність вертикального транспорту під час піку навантаження.

Рисунок 1.2 – Графік руху пасажирів  в житловому будинку

 

Продуктивність ліфта визначається вантажопідйомністю і числом циклів за годину. За кожний цикл величина вантажу, що переміщується, неоднакова і в  більшості випадків менша номінального, в результаті середня величина навантаження двигуна не перевищує 60-70 % номінальної потужності.

Пониження температури оточуючого середовища може суттєво вплинути на збільшення втрат в гніздах тертя, викликаючи після тривалих зупинок  значне підвиення статичного опору  Мс при пуску механізму.

Підйомно-транспортні механізми  потребують невеликого прискорення  на початку пуску і малого сповільнення при зупинці. В пасажирському  підйомнику це обумовлено шкідливим  впливом великого прискорення на пасажирів і вимогам точної зупинки, тому динамічні моменти при пуску  і повинні бути обмежені в відповідності  з умовами техніки безпеки.

В даному типі механізму доцільно використовувати наступні типи електропривода: з двошвидкісним асинхронним  електричним двигуном з К.З.Р., з  двома незалежними обмотками  на статорі. В цих системах застосовують спеціальні підйомникові електродвигуни з відношенням швидкостей 1:4 або  1:3. Ці двигуни характеризуються підвищеними пусковими моментами, обмеженим значенням пускових струмів і т.д.

 

2 РОЗРАХУНОК  ПОТУЖНОСТІ ДВИГУНА

 

Для вибору електродвигуна, необхідно обрахувати еквівалентну потужність навантаження. Для подальшого розрахунку потрібно мати навантажувальну діаграму електроприводу, тому здійснимо розрахунок приведених статичних моментів та тахограм виробничого  механізму.

 

2.1 Розрахунок  приведених приведених статичних моментів та тахограм виробничого механізму

 

Час кругового циклу:

 (2.1)

де Н_в –імовірна висота підйому,

K_н – коефіцієнт імовірної висоти підйому (K_н = 0,9);

Н_mах  – максимальна висота підйому (Н_mах  = 43,2м);

h – шлях, що  проходить підйомник при розгоні  до номінальної швидкості      (h =3.2м);

V – номінальна швидкість підйомника;

N_в^п, N_в^с – число імовірних зупинок підйомника відповідно при підйомі і спуску.

Н_в=К_нН_{max ,}       (2.2)

_,    (2.3)

                  (2.3)

де N₁ – число імовірних зупинок підйомника вище посадочного поверху (N₁=9);

K_t= – коефіцієнт, що враховує додаткові затрати часу при роботі підйомника (K_t=1.08);

t₁ – затрати часу на прискорення і сповільнення підйомника;

t₂ – затрати часу на пуск підйомника;

t₃ – затрати часу на відкривання та закривання дверей згідно з ГОСТ 5746-67 t₁+t₂+t₃=13c;

t₄^п, t₄^c – затрати часу на вхід пасажирів в кабіну відповідно при підйомі та спуску;

t₅^п, t₅^c – затрати часу на вихід пасажирів з кабіни відповідно при підйомі та спуску;

     (2.4)

     (2.5)

де  t - час на вхід (вихід) одного пасажира в кабіну;

 – коефіцієнти заповнення  кабіни підйомника відповідно  при підйомі та спуску ( ^с= 0.4);

E – номінальна місткість кабіни (E = 6чол.).

Імовірна висота підйому:

(м). 

Число імовірних зупинок:

,

.

Час кругового рейсу:

 

Продуктивність  підйомника:

,        (2.7)

 

(чол/год).

Маса противаги:

         (2.8)

де m_ном – номінальний вантаж (m_ном=600 кг);

 – коефіцієнт урівноваження  ( =0.5);

m₀ – маса кабіни (m₀=1000кг).

(кг).

Розрахункові довжини канатів:

* підйомного

,             (2.9)

h₁ = 3м,

h₂ = 1.5м.

(м);

* врівноважуючого

,  (2.10)

(м). 

* кабелю

, (2.11)

(м).

Маса  1 м канату:

- підйомного  кг/м;

- врівноважуючого  кг/м;

- кабелю  кг/м.

 

Маса  всього канату:

. (2.12)

(кг),

(кг),

 кг,

(кг).

Приведена маса підйомника:

, (2.13)

де  m_ng, m_оп – маса рухомих частин, що піднімаються та опускаються поступово;

i_пд – кратність полістпаста (i_пл = 1);

m_пр – обертові маси.

До  мас, що здійснюють поступсвий рух, відносяться:

, (2.14)

де   n_p n_q – кількість підйомних і врівноважуючих канатів (n_p=n_q=6),

(кг);

, (2.15)

де  y – частина ваги противаги, що врівноважує корисний вантаж (y=0.5).

(кг).

До мас, що здійснюють обертовий  рух, відносяться [5]: канатоведучий  шків, редуктор, з’єднувальна муфта  з гальмівним ободом, ротор двигуна. Ці маси приводяться до маси канатоведучого шківа:

, (2.16)

де (G_iD²)_тм, (G_iD²)_рт – махові моменти гальмівної муфти і ротора двигуна; ((G_iD²)_тм=5.2 mм², (G_iD²)_рт=9.2 mм²);

D_ш - діаметр шківа;

i_р - передатнє число редуктора (вибираємо черв’ячну передачу, з i_р = 25).

(кг).

Приведена маса підйомника:

(кг).

Приведений момент опору:

, (2.17)

де F_мех – сила опору виробничого механізму:

h-ККД системи.

 (2.18)

(Н),

(H).

Тахограма робочого механізму рисунок 2.1 є несиметричною п’ятиперіодною, яка складається з слідуючих  періодів: t₁-тривалість пуску, t₂-рівномірний рух, t₃-зменшення швидкості при підході до поверху, t_р3-дотяжка, t_р4-зупинка, t_g-тпивалість руху.

Тахограма розбивається на дві частини: верхню і нижню. Лінія розподілу  тахограми відповідає зменшеній  швидкості V_min при підході кабіни до поверху. Верхня частина тахограми представляє собою трапецію, яка називається умовною.

 

V_mах=V_nом=0,72 м/с; V_min=0.5 м/с; a₁=a_пуск=a₃=a_спов=1.5 м/с².

Знаходимо час на кожній ділянці  тахограми:

, (2.19)

(c);

Рисунок.2.1 – Тахограма робочого механізму

 

Шлях, що проходить кабіна на кожній ділянці тахограми: h₁=3.2 м, h₃=1.8 м, h_p3=1.1м, h_p4=0.3м.

Час на третій ділянці:

, (2.20)

c;

 

Прискорення при сповільненні:

, (2.21)

 м/с²;

Час на дотяжку:

, (2.22)

c;

Час на зупинку:

, (2.23)

c.

 

Тривалість  руху:

, (2.24)

де   Е_а =1.33.

(с).

, (2.25)

(с).

Час на другій ділянці:

, (2.26)

t₂=26.6 -2.25=24.35 (с).

 

2.2 Розрахунок  еквівалентної потужності

 

На  початку пуску при t=0; V=0:

 (2.27)

де  – коефіцієнт, що враховує шкідливі опори в відсотках корисного вантажу ( =0.02);

(Н).

В кінці  пуску при t=t₁; h₁; dx/dt=V_max:

 (2.28)

Період  рівномірного руху:

- на  початку періоду

     (2.29)

- в  кінці періоду

(2.30)

На  початку сповільнення:

- на  початку періоду

 (2.31)

- в  кінці:

 (2.32)

Рівномірний рух з пониженою швидкістю:

- на  початку періоду

 (2.33)

- в  кінці періоду  (2.34)

На  початку гальмування:

 (2.35)

В кінці  гальмування:

 (2.36)

Знаходимо середнє значення на кожному інтервалі:

, (2.37)

.

Аналогічно  знаходимо інші сили: F_cp.2=3771.5H; F_cp.3=-90850H; F_cp.4=3364H; F_cp.5=-63867H.

Еквівалентне  навантаження:

, (2.38)

Еквівалентний момент:

, (2.39)

(Нм).

Еквівалентна  потужність двигуна:

, (2.40)

 кВт.

Тахограма роботи із врахуванням швидкості  обертання вала двигуна та статичних  і динамічних моментів приведена  на рисунку 2.2.

 

 

 

3 Техніко-економічне обґрунтування вибору системи електропривода

 

Ліфтове господарство міста - це галузь з підвищеною енергоємністю, оскільки щорічні витрати електроенергії при експлуатації ліфтового обладнання складають близько одного мільярда кіловат-годин. У зв'язку з цим, впровадження новітніх енергозберігаючих технологій під час модернізації ліфтового  устаткування стає вкрай актуальним завданням. Систематичний аналіз інформації будівельних, монтажних і проектних  організацій дозволяє зробити висновок, що в якості базисної програми з  енергозбереження на ліфтах необхідно  розглядати впровадження частотно-регульованих електроприводів, головний елемент  яких - частотний перетворювач.

Вибір конкретної системи електроприводу пасажирського підйомника обумовлюється  вимогами точності зупинки, швидкості  руху, допустимими прискореннями.

Основний тип приводу пасажирського  підйомника – електричний привод на змінному струмі. Застосовуються системи  з одно і двошвидкісними асинхронними електродвигунами (АД) з коротко  замкненим ротором (К.З.Р.). Двигуни  з фазним ротором (Ф.Р.) використовуються, як правило, тільки на вантажних підйомниках, при обмеженій потужності живлячої мережі. Застосування АД з (Ф.Р.) дозволяє покращити якісні характеристики при  розгоні приводу, але не дає можливості отриманняя точної зупинки.

Система електроприводу з одношвидкісним АД найбільш проста. Пуск двигуна відбувається безпосереднім під’єднанням обмотки  статора до живлячої мережі, зупинка-відключенням двигуна від мережі з одночасним накладанням колодок механічного  гальма.

Поширеною є  система з двошвидкісним асинхронним  електричним двигуном з К.З.Р., з  двома незалежними обмотками  на статорі. В цих системах застосовують спеціальні підйомникові електродвигуни з відношенням швидкостей 1:4 або 1:3. Ці двигуни характеризуються підвищеними пусковими моментами, обмеженим значенням пускових струмів і т.д. Пуск підйомника в такій системі здійснюється під’єднанням до мережі обмотки більшої швидкості. При цьому підйомник розганяється і переходить на робочу швидкість. Перед зупинкою підйомника відбувається відключення від мережі цієї обмотки і вмикання обмотки малої швидкості. Електричний двигун переходить в режим генераторного гальмування, швидкість підйомника знижується (в 3-4 рази), підйомник підходить до рівня поверху. Зупинка здійснюється відключенням від мережі обмотки малої швидкості і накладанням механічного гальма.

Використання  двигуна постійного струму для приводу  пасажирського підйомника дозволяє підвищити їх продуктивність.

Основною перевагою двигуна  постійного струму в порівнянні з  асинхронним двигуном змінного струму є можливість регулювання числа  обертів в широких межах.

Найбільшого поширення серед систем електроприводу на постійному струмі отримала система генератор-двигун (ГД). Але для широкого застосування вона має суттєві недоліки: велика встановлена потужність машин (в 3-4 раази більша, ніж у приводу  змінного струму), великі габарити, велика вартість, складність систем при наладці  і експлуатації. Ці фактори обмежують  область використання цієї системи.

Проаналізуємо чотири варіанти реалізації системи керування підйомником: двошвидкісний АД з К.З.Р. із релейно-контакторною системою керування (РКС), двошвидкісний  АД з К.З.Р. із мікропроцесорною системою керування (МСК); система тиристорний  перетворювач-двигун постіного струму (ТП-Д), система генератор-двигун.

 

Таблиця 3.1 – Вартість елементів  електроприводу

Назва	ПЧ-АД (МСК)	АД з РКС	ТП-Д	Г-Д
Вартість двигуна, В	1900	1900	2500	2500
Вартість системи керування, С	1800	2100	2000	2200
К=В+С	3700	4000	4500	4700
0,2.К	740	800	900	940
Витрати на обслуговування й ремонт, Со	500	700	900	1100
Додаткові, Д	500	800	500	900
S	2820	3380	3780	4020

 

Використовуємо метод зведених витрат:

З=0,2×К+Е+Д, (3.1)

де  Е – експлуатаційні затрати.

Е= Со+СDW, (3.2)

де  С_о – витрати на обслуговування і ремонт;

С_DW  – витрати на електроенергію:

СDW=mo×DW, (3.3)

де  m_o – вартість одиниці електроенергії (0.15 грн/кВт год);

DW-кількість втраченої електроенергії за рік.

1-ий  варіант:

Витрати на електроенергію:

С_DW=0,15×7200= 1080 (грн).

Експлуатаціїні  затрати:

Е=500+1080=1580 (грн).

 

Зведені витрати:

З=740+1580+500= 2820 (грн).

Розрахунок для інших варіантів  виконуємо аналогічно. Результати розрахунків  зводимо в таблицю 3.1.

Оскільки З1<З2<З3, тому доцільно впроваджувати 1-ий варіант, тобто вибираємо систему електроприводу на основі двошвидкісного АД з К.З.Р. із мікропроцесорною системою керування та ПЧ.

Вибір двохшвидкісного АД з КЗР  обумовлюється тим, що точність зупинки  кабіни, при швидкості 0,25 (м/с) забезпечується простим накладанням гальмівних колодок [1].

АД з КЗР є найпростішим і  надійнішим електричним двигуном. Так  як він має найменші розміри і  масу та є простим у виконанні  він буде мати менші втрати (безконтактний), через це з точки зору затрат на обслуговування і ремонт він буде найбільш економічним.

Кабіна підйомника після гальмування  повинна зупинятись проти рівня  завантаження з заданою ступінню точності. Неточна зупинка призводить в пасажирських підйомниках збільшення часу входу і виходу пасажирів. В  вантажних підйомниках неточна  зупинка обтяжує, а в деяких випадках робить неможливим завантаження кабіни. Недостатня якість зупинки погіршує експлуатаційні якості підйомних машин, знижує безпеку користування ними і  їх продуктивність.

Найбільш ефективним шляхом зниження неточності зупинки є зменшення  середньої початкової швидкості, з  якою підйомник підходить до датчика  точної зупинки [2]. Для отримання  заданої точності зупинки при  великих робочих швидкостях підйомників  необхідно перед зупинкою завчасно знижувати швидкість до значення при котрому неточність зупинки  не перевищує допустимої.

Отож, для забезпечення точності зупинки  навпроти необхідного поверху двошвидкісний  АД дає змогу переходити на нижчу  швидкість при під’їзді до поверху, що підтверджує доцільність його використання у системі керування  електроприводом підйомника.

Застосування частотно-регульованого  електропривода підйомного пристрою (лебідки) ліфта значно підвищує комфортність при русі кабіни, забезпечує безшумність  і високу точність зупинки, збільшує довговічність механічного устаткування, а також дозволяє знизити витрату  електроенергії на 40-60%. Підвищує комфортні  показники при русі кабіни ліфта  і довговічність механічного  устаткування за рахунок отримання  плавних перехідних процесів. Знижує експлуатаційні витрати на капітальний  ремонт обладнання за рахунок значного зниження динамічних навантажень в  елементах кінематичного кола. Зниження споживання електроенергії досягається  завдяки значному (в 5-6 разів) зменшення  обертових махових мас лебідки, що виключає непродуктивні втрати в  перехідних пуско-гальмівних режимах: плавні перехідні процеси дозволяють знизити динамічні навантаження в елементах кінематичного кола приводу ліфта, що призводить до збільшення терміну служби редуктора головного  приводу, канатоведущего шківа, гальмівних колодок, електродвигуна, тягових канатів, елементів підвіски противаги

 

4 ВИБІР ЕЛЕКТРОДВИГУНА 

 

Вибір електродвигуна здійснюється виходячи з тривалості вмикання двигуна, тобто  з його реального режиму роботи.

Відносна  тривалість вмикання вмикання двигуна (ТВ):

 (4.1)

Приводимо отриману потужність до відносної тривалості вмикання:

,  (4.2)

(кВт).

Необхідна потужність двигуна з врахуванням  коефіцієнту запасу К_з:

, (4.3)

Р=2.21×1.3=2,73 (кВт).

 

3 Розрахунок потужності  та вибір електричного двигуна  за потужністю та швидкістю  обертання 

За даними розрахунку вибираємо  двигун постійного струму незалежного  збудження типу 4ПФ112М, параметри якого занесені до таблиці 3.1

Таблиця 3.1 – Параметри двигуна типу 2ПН132LУХЛ4

Потужність, кВт	3
Частота обертання, об/хв.	950
Номінальний струм, А	20,1
Номінальна напруга, В	220
Коефіцієнт корисної дії,%	60,3
Момент інерції,кг м2	0,09
Опір якоря , Ом	1,13
Опір додаткових полюсів, Ом	0,94

Знайдемо номінальний  момент на валу двигуна

, (3.4)

 (Нм).

 

 

 

 

 

 

4 Розрахунок і вибір елементів силової частини електроприводу

4.1 Розрахунок джерела живлення і силового фільтра

Використовується трифазна нульова  схема випрямлення (схема Міткевича). Коефіцієнти схеми випрямлення  і її параметри представлено в  таблиці 4.1.

 

Таблиця 4.1 – Коефіцієнти схеми  випрямлення

Коефіцієнт	Трифазна нульова схема випрямлення (схема Міткевича)
ku	1,17
ki1	0,471
ki2	0,577
ks1	1,21
ks2	1,48
ks	1,35
kicp	1/3
kumax	2,09
m1	3
d	3
m	3
mn	3
kR=q	1
kX	0,478