2.4 Вибір силового обладнання
2.4.1 Розрахунок та вибір пускорегулюючої апаратури
Двигуни з короткозамкненим ротором простіші і надійніші в експлуатації та значно дешевші, ніж двигуни з фазним ротором. Проте двигуни з фазним ротором, як побачимо нижче, мають кращі пускові та регулювальні характеристики.
Зараз асинхронні двигуни виготовляють переважно з короткозамкненим ротором і тільки при великих потужностях та в спеціальних випадках використовують фазну обмотку ротора.
Поряд з важливими позитивними якостями – простотою конструкції й обслуговування та малою вартістю – асинхронний двигун має й деякі недоліки, з яких найсуттєвішим є відносно низький коефіцієнт потужності (cos φ).
В даному дипломному проекті обраний асинхронний двигун з короткозамкненим ротором, тому розрахунок та вибір пускових резисторів не потрібен.
2.4.2 Розрахунок та вибір гальмівних пристроїв
Рисунок 2.4 – Структурна схема гальмування за допомогою ПЧ
Пропонований винахід відноситься до електроприводів змінного струму з управлінням за допомогою перетворювачів частоти, а саме до режимів електричного гальмування. Відомий спосіб електричного гальмування асинхронних двигунів з короткозамкнутим ротором, противовмиканням, яке здійснюється за командою «Стоп». При цьому способі гальмування відбувається зміною чергування трьох фаз змінного струму живлення обмоток статора двигуна, що призводить до миттєвої зміни напрямку обертання магнітного поля статора, зміни напрямку електромагнітного моменту і гальмування двигуна і зв'язаного з ним виконавчого механізму.
В описаному способі електричного гальмування зміна чергування фаз живлення обмоток статора відбувається при номінальному напрузі, тому електромагнітний гальмівний момент початку гальмування приблизно дорівнює по модулю моменту пусковому і зростає в процесі гальмування до максимального значення. Ця обставина призводить до ударних навантажень на двигун і пов'язаний з ним виконавчий механізм. По закінченні процесу гальмування електродвигун по сигналу датчика швидкості відключається від електромережі. Недоліками описаного способу гальмування є неможливість зниження ударного навантаження на двигун і пов'язаний з ним виконавчий механізм, регулювання гальмівного моменту і завдання інтенсивності і часу гальмування.
Пропонований спосіб дозволяє оптимізувати гальмування асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором і виключити ударні навантаження в електроприводі в режимі гальмування.
На рис. 2.4 представлена структурна схема реалізації пропонованого способу гальмування, яка містить наступні вузли і елементи: ПЛК - програмований логічний контролер; ПЧ - перетворювач частоти; СУ - система управління ПЧ; М - асинхронний двигун з короткозамкнутим ротором; ІДС - імпульсний датчик швидкості (енкодер); РМ - робоча машина; Uз.n.- напруга завдання частоти обертання (руховий режим); Uз.tT. - напруги завдання часу гальмування; U3,U1,f1 - напруга завдання частоти і амплітуди вихідної напруги ПЧ; Uc - трифазну змінну напругу мережі; fc - частота напруги мережі; U1,f1 - напруга і частота на виході ПЧ; Noc - кодове значення виходу датчика швидкості; n, M, Mc - частота обертання, обертаючий момент і момент опору на валу АД, відповідно; ІМ - виконавчий механізм; JM - момент інерції ІМ.
Спосіб оптимального гальмування асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором здійснюється, згідно зі схемою, наступним чином: при команді «Стоп» з пульта керування електроприводом сигнал надходить на вхід програмованого логічного контролера ПЛК, який через систему управління СУ встановлює напруга U1 і частоту f1 на виході перетворювача частоти ПЧ, що дорівнює нулю, і одночасно подається сигнал на зміну чергування фаз вихідного напруги U1. Після цього регулятор швидкості системи управління СУ забезпечує плавне наростання від нуля амплітуди і частоти вихідної напруги ПЧ, яке подається на обмотки статора двигуна М приводу, що в свою чергу забезпечує гальмування електропривода без ударних навантажень на двигун і пов'язаний з ним виконавчий механізм. Заданий час і інтенсивність гальмування встановлюється з допомогою ПЛК. Після закінчення процесу гальмування по сигналу датчика швидкості ІДС відбувається замикання ПЧ.
Структурна схема, яка забезпечує руховий і пропонований режим електричного гальмування електропривода реалізується на елементах загальнопромислового застосування, виконують стандартні функції. Алгоритм режиму електричного гальмування задається промисловим логічним контролером.
Таким чином, пропонований спосіб гальмування асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором забезпечується в електроприводі змінного струму з частотним регулюванням швидкості без застосування спеціалізованих гальмівних блоків або елементів, а за рахунок зміни алгоритму роботи елементів електропривода.
2.4.3 Вибір перетворювача частоти
Переваги використання перетворювачів частоти для кранових механізмів:
- оперативне автоматичне чи ручне керування швидкістю або параметром, який від цієї швидкості залежить;
- економія електроенергії за рахунок високого ККД перетворювача та оптимізації роботи приводного двигуна із конкретним навантаженням;
- широкий діапазон регулювання швидкості;
- зниження пускових струмів до мінімального рівня, який необхідний для реалізації пуску;
- зниження ударних навантажень на механізм при пуску;
- комплексний захист двигуна та механізму.
Промисловістю випускаються перетворювачі частоти зі скалярним та векторним керуванням. Векторне керування є більш досконалим і дозволяє працювати з повним моментом двигуна в області нульових частот, підтримувати швидкість при змінному навантаженні без датчиків зворотного зв’язку, точно контролювати момент на валу двигуна.
При виборі потужності частотного перетворювача необхідно ґрунтуватися не лише на потужності електродвигуна, але й на номінальних струмах і напругах перетворювача і двигуна. Це пояснюється тим, що зазначена потужність частотного перетворювача відноситься лише до експлуатації його зі стандартним асинхронним електродвигуном в стандартному використанні.
Реально ж промисловістю випускаються приводні двигуни номінальний струм яких істотно перевершує стандартне для даної потужності значення.
Не слід забувати також і про те, що згідно з міжнародними стандартами для електродвигунів поняття потужність відноситься до механічної потужності двигуна на валу, а не до споживаної від джерела живлення активної потужності, як це прийнято для інших споживачів електричної енергії.
Ще один момент, який обов’язково потрібно враховувати при виборі перетворювача частоти – характер навантаження та допустимі перевантаження (рівень перевантажень, тривалість і частоту появи).
Перетворювач частоти – це пристрій, що перетворює вхідну синусоїдальну напругу фіксованої частоти та амплітуди у вихідну імпульсну напругу змінної частоти та амплітуди.
На першому етапі перетворення напруга мережі випрямляється вхідним діодним мостом, потім згладжується і фільтрується.
На другому етапі перетворення з постійної напруги формується ШІМ послідовність визначеної частоти. На виході частотного перетворювача видаються прямокутні імпульси, які за рахунок індуктивності обмоток статора двигуна інтегруються і перетворюються в напругу близьку до синусоїдальної.
Рисунок 2.5 - Силова частина схеми частотно-керованого електропривода
Слід зазначити, що інвертор з ШІМ не тільки змінює частоту вихідної напруги, але і регулює її середнє значення, що дозволяє відмовитись від керованого випрямляча і використовувати більш простий діодний випрямляч.
Принцип дії інвертора з ШІМ зображено на рис. 2.6.
Рисунок 2.6 – Вихідна напруга з інвертора ШІМ
Період синусоїдального сигналу розбивається на число (не менше 24) малих інтервалів тривалістю ∆t. На кожному інтервалі створюються два різнополярних імпульси тривалістю ∆t1 та ∆t2. Якщо тривалість позитивного і негативного імпульсів однакова, то середнє значення напруги на інтервалі ∆t рівне 0. В протилежному випадку отримують позитивну або негативну вихідну напругу, пропорційну модулю різниці тривалостей цих імпульсів, ±[∆t1-∆t2]. Якщо один з імпульсів має нульову тривалість, отримують максимальну середню напругу, рівну Ud.
Умови вибору перетворювача частоти:
, де (2.34)Рдв.сп – споживана електродвигуном потужність в номінальному усталеному режимі, кВт;
Ідв.ном – номінальний струм приводного двигуна, А.
Споживана електродвигуном потужність в номінальному усталеному режимі: Рдв.сп = к∙Рном/ηдв∙соsφ (2.35)
де k – коефіцієнт спотворення струму на виході перетворювача частоти (k = 0,95…1,05);
Рном – номінальна потужність приводного двигуна, кВт;
ηдв – ККД приводного двигуна;
cos φ – коефіцієнт потужності приводного двигуна.
Рдв.сп = 1∙30/0,87∙0,55=75,76 кВт
Оскільки робота приводного двигуна характеризується важкими умовами пуску, то перетворювач частоти додатково перевіряється за такими умовами: - необхідна робоча потужність перетворювача частоти:
(2.36)де Рдв.пуск – пускова потужність приводного двигуна, кВт;
λПЧ – перевантажувальна здатність перетворювача (λПЧ =1,2 … 1,7).
Пускова потужність приводного двигуна:
(2.37)де n – оберти, до яких потрібно розігнати двигун за час t, об/хв,
Рдв.пуск=1∙980/9550∙0,87∙0,55=26 кВт
Відповідно до виразу (2.36):
Рпч≥26/1,5≈17 кВт
- струм, який споживає електродвигун при лінійному розгоні, не повинен перевищувати пусковий струм перетворювача частоти:
(2.38)де Uном – напруга на обмотка двигуна на номінальних обертах, В,
Іпч пуск≥1∙980/9,55∙0,87∙0,55∙380∙√3=39,42 А
Виходячи з даних умов, обираємо перетворювач частоти Siemens Micromaster 440 6SE6430-2UD33-0DA0 з проміжною ланкою постійного струму. Паспортні дані перетворювача частоти наведені в таблиці 2.2.
Перетворювачі частоти серії MicroMaster 440 оснащені мікропроцесорною системою керування і використовують найсучасніші технології з IGBT модулями. Micromaster 440 може застосовуватися як індивідуально, так і інтегруватися в автоматизовані системи.
Основні характеристики перетворювачів Micromaster 440:
- простий монтаж та введення в експлуатацію;
- релейні виходи;
- аналогові виходи 0-20мА;
- 6 дискретних входів;
- 2 аналогових входи, які в разі необхідності можуть бути використані як 7-й і 8-й дискретні входи: AIN 1: 0-10 В, 0-20 мА або від -10 до-10 В; AIN 2: 0-10 B, 0-20 мА;
- модульна конструкція;
- зовнішні опції для обміну даними з комп’ютером, базова панель обслуговування (ВОР), розширена панель оператора (АОР) і модулі передачі даних по шині Profibus.
Функціональні особливості:
- векторне керування без датчика швидкості;
- вбудоване динамічне гальмування постійним струмом;
- використання замкнутого регулятора PID з автопідстроюванням;
- програмована інтенсивність розгону і зупинки.
Особливості захисту:
- захист від підвищеної і зниженої напруги живлення;
- захист перетворювача від перегріву;
- захист від замикання на землю;
- захист від короткого замикання;
- захист від перегріву двигуна.
Швидке введення в експлуатацію частотного перетворювача здійснюється після його попереднього скиду на заводські установки в такій послідовності:
1. Рівень доступу Р0003 – в «3».
2. Р0010 в «1».
3. Р0100 в «0».
4. Р0205 «0» робота з постійним моментом.
5. Р0300 «1» вибір типу двигуна (АД).
6. Р0304 Номінальна напруга двигуна, В.
Таблиця 2.2 – Паспортні дані перетворювача частоти [6] с.189 д.3.2
7. Р0305 Номінальний струм двигуна, А.
8. Р0307 Номінальна потужність двигуна, кВт.
9. Р0308 cosφ номінальний. 49
10. Р0309 ККД номінальний.
11. Р0310 Номінальна частота двигуна, Гц.
12. Р0311 Номінальна швидкість, об/хв.
13. Р0314 Число пар полюсів (може бути пройдений автоматично).
14. Р0320 Значення струму х.х. (з паспорту двигуна), при його відсутності залишити «0».
15. Р0335 Охолоджування.
16. Р0500 Вибрати тип навантаження.
17. Р0640 Перевантаження по струму (рекомендується не більше 150%).
18. Р0700 Вибір джерел керування.
19. Р1000 Вибір джерел завдання.
20. Р1040 Початкова частота мотор-потенціометра, Гц.
21. Р1080 Мінімальна частота, Гц.
22. Р1082 Максимальна частота, Гц.
23. Р1120 Час розгону, с.
24. Р1121 Час гальмування, с.
25. Р1135 Час останову, с.
26. Р1300 Вибір режиму керування.
27. Р1500 Вибір джерела завдання моменту (при необхідності).
28. Р1910 Вибір визначення параметрів двигуна «1».
29. Р3900 Завершення введення.
30. Натиснути кнопку пуск.
2.4.4 Вибір сенсора швидкості
Для реалізації контуру зворотного зв’язку за швидкістю вибираємо [6] с.189 д.3.1 Incremental Encoder типу IdNr. 521-28-532.
Для налаштування контуру зворотного зв’язку необхідно виконати послідовність команд (таблиця 2.3).
Таблиця 2.3 – Перелік команд
| Параметр | Назва | Величини |
| r0061 | Швидкість ротора | Параметр показує швидкість обертання ротора. |
| r0090 | Кут повороту ротора | Параметр показує поточний кут повороту ротора. |
| P0400[3] | Тип Encoder | = Encoder не задіяний = Окремий вхідний канал (А) = Квадратичний Encoder без нульової пульсації (канал А+В). |
| r0403 | Слово стану | Слово стану дисплея Encoder в форматі біта: |
| | Bit00 | Модуль Encoder активний: 0 – ні;1 – так. |
| | Bit01 | Помилка Encoder: 0 – ні; 1 – так |
Продовження таблиці 2.3
| | Bit02 | Сигнал в нормі: 0 – ні; 1 – так |
| | Bit03 | Втрата малої швидкості Encoder: 0 – ні; 1 – так |
| | Bit04 | Використання HW таймера: 0 – ні; 1 – так |
| P0408[3] | Кількість пульсацій – Encoder за один оберт | Параметр визначає кількість пульсацій Encoder за один оберт |
| P0491[3] | Реакція на втрату сигналу швидкості | Вибирає реакцію на втрату сигналу швидкості. Настройки: – не змінювати до SLVC – змінити до SLVC |
Encoder підключається до частотного перетворювача за допомогою спеціального 12-пінового штекера.
При цьому DIP-перемикачі повинні бути встановлені відповідним чином (таблиця 2.4).
Таблиця 2.4 – Положення DIP-перемикачів модуля Micromaster 440
| DIP-Switch | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| Стан | OFF | ON | OFF | ON | OFF | ON |
Рисунок 2.7– Підключення TTL Encoder (5V DC) при живленні від внутрішнього джерела частотного перетворювача
Рисунок 2.8 – Розпайка штекера Encoder та підключення до модуля Micromaster 440
1 2 3