3.2Перевірка вибору електродвигуна
Діаметр приводного барабана D=1.6м [6]. Визначимо передаточне число редуктора:
Виберемо редуктор 2Ч-40М з передаточним числом 80.
Виконаємо перевірку двигуна. Перевіримо обраний двигун за пусковими, перевантажувальними можливостями та перегрівом. Визначимо момент опору на валу двигуна при відомому передаточному числі редуктора:
де
Визначимо величну номінального моменту двигуна:
З отриманого видно, що перевірка за моментом в статичному режимі виконується (
) . Виконаємо перевірку вибраного двигуна за перевантажувальною здатністю. З технологічного процесу стрічкового конвеєра відомо, що найбільш велике перевантаження двигуна виникає при пуску та гальмуванні навантаженого конвеєра (приймемо рівність моментів пуску та гальмування). Для здійснення перевірки за перевантажувальною здатністю розрахуємо величину динамічного моменту на валу двигуна.
З отриманого видно, що перевірка за моментом в динамічному режимі (за перевантажувальною здатністю) виконується (
) . Для перевірки за теплом для двигуна що працює в режимі S1, достатньо виконання умови [7]:
Проведені перевірки свідчать про правильність вибору потужності двигуна.
3.3Розрахунок натягу набігання та збігання
Після виконання перевірки двигуна відповідно до тих критеріїв, що були наведені вище, можна виконати розрахунок натягу стрічки в усіх точках де він потрібен.
Визначимо натяг набігання в точці 1 та збігання в точці 2:
Визначимо натяг набігання в точці 3 та збігання в точці 4:
Визначимо натяг набігання в точці 5 та збігання в точці 6:
Визначимо натяг набігання в точці 7 та збігання в точці 8:
Значення набігання в точці 8 не відповідає тому, що було розраховано раніше тому, що то максимальний натяг набігання який враховує динамічну складову, що обраховується за формулою А
в формулі (29) було розраховано як для системи яка знаходиться в статичному режимі, а саме без динамічного навантаження.
Рисунок 3 – Діаграма зусиль
3.4Практична реалізація системи векторного керування
Розглянувши технічні характеристики основних закордонних виробників сучасних перетворювачів частоти, таких як Alien Bradly, Siemens, ABB, Danfoss, Mitsubishi та ін., можна сформувати загальні вимоги, які ставляться кінцевим споживачем до сучасних асинхронних електроприводів:
Напруга живлення – 3ф 380 В 50 Гц або 220 В 50 Гц однофазна.
Вихідна частота 0….400 Гц.
Алгоритми керування що реалізуються перетворювачами:
традиційне частотне керування з квадратичною або лінійною U/f характеристикою з можливістю IR-компенсації та компенсації ковзання.
векторне бездатчикове керування.
векторне керування з датчиком швидкості.
В стандартній конфігурації електропривод має забезпечувати наступні мінімальні інтерфейсні можливості:
дискретних гальванічно-розв’язаних входів – 6.
Аналогових входів 0…10 В – 1 канал, 4…20мА – 1 канал.
Аналоговий вихід 0…10 В.
Виходів релейного типу – 2.
Гальванічно розв’язані інтерфейси зв’язку з системами верхнього рівня RS-485, CAN.
Вбудований ПІД-регулятор технологічного параметру.
Внутрішній ключ клампера на малих потужностях (до 15 кВт).
Можливість підключення фотоімпульсного датчика швидкості (енкодера).
Наявність джерел живлення +10 В та +24 В для обслуговування зовнішніх підключень аналогових та дискретних сигналів.
Було розглянуто питання розрахунку силової частини сучасних асинхронних. Всі дослідження виконувалися згідно методичних вказівок, та завдань які були нам задані. В ході дослідження, було використано такий вид електроприводу як конвеєр. Розрахували силову частину при роботі від трифазної мережі та розрахували яким має бути фільтр, клампер, датчик напруги, інвертор, датчик струму, точніше кажучи їх характерні величини. На рисунку 3 вказана функціональна схема асинхронного електроприводу.
Рисунок 4 - Функціональна схема асинхронного електроприводу
Стандартно перетворювач розділяють на дві основні складові:
- силова частина, до якої входять вхідний фільтр, некерований випрямляч, зарядне коло, ємність фільтру випрямляча, клампер, датчик напруги ланки постійного струму, інвертор, датчики вихідного струму, схеми драйверів та гальванічної розв’язки сигналів керування ключами інвертора і клампера, блок живлення;
- керуючий контроллер, до якого входять власне цифровий контроллер, який, як правило, базується на цифровому сигнальному процесорі, та схеми узгодження сигналів.
Розглянемо більш детально призначення основних модулів та елементів показаних на рисунку 3.
Фільтр – як правило складається з двох основних складових: варисторів для запобігання перенапругам в ланці постійного струму внаслідок сплесків напруги мережі живлення, та фільтру радіоперешкод, який запобігає розповсюдженню в мережу живлення високочастотних перешкод, які виникають при комутації ключів інвертора.
Випрямляч – перетворює змінну напругу мережі живлення в постійну напругу ланки постійного струму
.Ємність С – фільтр, призначений для згладжування випрямленої напруги на виході випрямляча.
Зарядне коло (резистор Rз та реле К1) – забезпечують плавний заряд ємності фільтру випрямляча С при подачі живлення на перетворювач. Після закінчення заряду контакт реле К1.1 замикається.
Клампер – призначений для стабілізації напруги в ланці постійного струму при генераторних режимах роботи двигуна, які супроводжуються рекуперацією енергії в ланку постійного струму.
Датчик напруги – призначений для передачі в керуючий контроллер інформації про напругу ланки постійного струму
, де вона використовується для забезпечення захисних функцій, контролю заряду ємності фільтру випрямляча, а також для генерування імпульсів керування ключами інвертора по законам широтно-імпульсної модуляції (ШІМ).Інвертор – перетворює постійну напругу ланки постійного струму у задану трифазну напругу на виході перетворювача, результуючий вектор якої (усереднений на періоді ШІМ) має заданий модуль, частоту та кутове положення.
Датчики струму ДС1, ДС2 – призначені для передачі в керуючий контроллер інформації про фазні струми двигуна, де вона використовується для організації захисних функцій інвертора та двигуна, а також для організації зворотних зв’язків в системах векторного керування.
Датчик швидкості – призначений для вимірювання контролером кутової швидкості (положення) з метою організації зворотних зв’язків та захисних функцій.
Драйвери – перетворюють параметри імпульсів керування силовими ключами, які надходять від контроллера, з метою забезпечення надійного відкриття та запирання IGBT ключів. Фактично драйвери можна розглядати як підсилювачі сигналів. Досить часто драйвери додатково забезпечують захист від струмів короткого замикання інвертора.
Опторозв’язка – забезпечує гальванічну розв’язка дискретних сигналів керування з метою підвищення завадозахищеності керуючого контроллера, а також для запобігання виходу його з ладу при аварійних режимах в силовій частині. Виконується за допомогою оптопар, або оптоволоконних ліній зв’язку у перетворювачах великої потужності.
Керуючий контролер – виконує всі функції автоматизації перетворювача, отримання завдання на регульовані координати, розраховує алгоритм керування двигуном, генерує імпульси керування ключами, реалізує захисні функції, здійснює комунікації з системами верхнього рівня.
Схеми узгодження рівнів сигналів та фільтрації – необхідна для приведення рівнів сигналів, які отримуються від датчиків струму та напруги до рівнів допустимої вхідної напруги аналого-цифрового перетворювача керуючого контроллера. Фільтрація може застосовуватися для підвищення завадостійкості системи керування.
Інтерфейс датчика швидкості – дозволяє підключати до контроллера фото імпульсні датчики з різними типами апаратних інтерфейсів. Як правило містить гальванічну розв’язку.
Блок живлення – пристрій який забезпечує живлення власних потреб перетворювача: живлення контроллера, драйверів, зовнішні +10 В та +24 В, живлення датчиків та ін. В сучасних перетворювачах вхідна напруга для блоку живлення власних потреб береться від ланки постійного струму, що забезпечує безпечну зупинку системи при зникненні напруги мережі живлення.
Зовнішні термінали – служать для підключення до перетворювача дискретних входів/виходів (наприклад сигналів керування перетворювачем «Пуск», «Стоп», «Реверс», інших), аналогових входів/виходів (наприклад завдання швидкості, зворотного зв’язку за технологічним параметром та інших).
Панель оператора – призначена для налаштування параметрів системи, подачі команд перетворювача та завдання на регульовану величину в ручному режимі, спостереження за контрольними величинами та діагностики.
Додаткові входи виходи – призначені для керування додатковими системами, наприклад для включення вентиляторів системи охолодження, контролю спрацювання зарядного реле та ін.
Для заданого механізму, необхідно розрахувати та вибрати елементи силової частини перетворювача частоти. А саме розрахувати основні параметри асинхронного двигуна, у відповідності з методикою, наведеною в [9]. З метою визначення необхідних законів керування, необхідних режимів роботи електроприводу та перевантажувальної здатності
Живлення – 3ф
Механізм – конвеєр;
Інвертор – IGBT module;
Двигун - MTM613-10
Розрахунок напруги та струму та перевантажувальної здатності
Номінальні діючі значення фазної напруги та струму статора
Амплітудні значення фазної напруги і струму статора
Перевантажувальна здатність електроприводу для конвеєрів в таких межах
, тому для наступного розрахунку беремо перевантажувальну здатність такої величини:
Розрахунок некерованого випрямляча
Для правильного вибору діодів випрямляча необхідно розрахувати величину діючого струму, який протікає через діод, з урахуванням коефіцієнтів запасу.
Розрахунок номінального значення випрямленого струму
де
– номінальне значення випрямленої напруги; 
– номінальна потужність перетворювача; 
– коефіцієнт корисної дії перетворювача [9].Так як живлення перетворювача від однофазної мережі живлення
В, напруга в ланці постійного струму при ідеальній фільтрації буде приблизно рівною 
Для вибору IGBT максимально-допустима зворотна напруга (напруга колектор-емітер) автономного інвертора має бути мінімум в 1.5 разів вищою, ніж максимальна напруга в ланці постійного струму, тобто
, так як 
знаходиться в межах 750 – 800 В для перетворювачів з трифазним живленням, тому приймемо 
, таким чином 
Вибір діодного силового моста буде обраний за такими параметрами:
, 
,де
та 
– відповідно тривалий струм діода та зворотня напруга, які вказані в паспортних даних діода.Тому обраним силовим діодним мостом буде трифазний діодний модуль MDS500A/1600V [11].
Розрахунок ємнісного фільтра випрямляча
Ємність випрямляча визначається за формулою:
де
– коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги, який для перетворювачів частоти вибирають в діапазоні 
, m – число фаз випрямляча, f – частота напруги мережі живлення, 
– еквівалентний опір навантаження ланки постійного струму розраховується за формулою 
тому оберемо: 
m=3 
Вибираємо по каталогу [10] конденсатор типу JNK ємністю
мкФ та максимальною напругою 600 В. Потрібна ємність та робоча напруга фільтру досягається включенням п’яти конденсаторів паралельно Розрахунок резистора і ключа клампера
Клампер складається з резистора, діода та напівпровідникового ключа (рисунок 4), який підключає цей резистор паралельно в ланку постійного струму для розсіювання надлишкової енергії, яка має місце в гальмівному режимі привода.
Рисунок 5 – Схема клампера
Ключ клампера вибирається по струму, який протікає через нього в тривалому режимі. Якщо в процесі роботи вся активна потужність передається у ланку постійного струму, то
Середнє за робочий цикл значення потужності, що необхідно розсівати на резисторі клампера з врахуванням того, що генераторний режим займає
від загального часу циклу розраховується за формулою
Необхідний опір резистора клампера розраховується за формулою
де
– максимальне значення напруги в ланці постійного струму. Резистор вибирається з ряду Е24: 
. З формул які наведені вище розраховуються елементи для клампера, властивості якого необхідні для роботи конвеєра в генераторному режимі, але конвеєр в цьому режимі не використовується бо це різке гальмування і система розірве стрічку.Розрахунок зарядного резистора
Далі показана схема (рисунок 5) з зарядним резистором, який потрібен для обмеження струму.
Рисунок 6 – Схема з зарядним резистором
Розрахунок здійснюється за формулою
Зарядний резистор рисунок 5 призначений для обмеження струму на виході випрямляча при включенні перетворювача частоти в мережу живлення з метою захисту діодів випрямляча. При досягнені напругою в ланці постійного струму на перед визначеного значення подається команда на спрацювання зарядного реле яке шунтує зарядний резистор[12].
Розрахунок автономного інвертора напруги
Прийнявши перевантажувальну здатність для привода конвеєра
, розрахуємо максимальний струм на виході перетворювача 
Вибір IGBT може бути здійснений на сайтах виробників за критерієм
, 
,де
та 
– відповідно тривалий струм колектора та напруга колектор-емітер, які вказані в паспортних даних IGBT. Обов’язковою є умова наявності антипаралельного діода, який в більшості випадків є вбудованим в один корпус із транзистором і не потребує окремого розрахунку.Для побудови силової частини перетворювача зручно використовувати так звані IGBT-модулі, які в одному корпусі містять 6 транзисторів з антипаралельними діодами. Обираємо по каталогу [13] IGBT типу PM150CSD120 з параметрами
, 
.Розрахунок датчиків струму та напруги
Вибір датчиків струму здійснюють за максимальний струмом, який необхідно вимірювати, тобто щоб вимірюваний діапазон датчика був більшим від максимально допустимого струму в системі. Для вимірювання струмів на виході перетворювача для вибору використовують значення максимального струму.
Якщо для керування координатами двигуна використовуються методи, які не потребують організації зворотних зв’язків за струмом, а вимірювання струму здійснюється лише для захисту системи, то для здешевлення перетворювача датчики на виході інвертора можна не встановлювати і обмежитися лише датчиком струму в ланці постійного струму.
Вибір датчика струму може бути здійснений на сайті [14]. Оскільки в розглянутому прикладі достатньо обмежитися датчиком струму в ланці постійного струму, то по розрахованому значенню
вибираємо датчик типу HO 240-P [14], номінальний струм якого складає 250А, діапазон вимірювання -600 - 600 А.Канал вимірювання напруги ланки постійного струму може бути побудований з використанням датчика типу LV 100/SP84[15], схема підключення якого показана на рисунку 6.
Рисунок 7 – Підключення датчика напруги
В документації на датчик вказано, що максимальний струм первинного кола
. Тому значення опору резистора R1 дорівнює:
Зі стандартного ряду E24, резисторів вибираємо R1=80 кОм.
1 2 3 4 5