Схема автоматичного регулювання тривалості випічки з корекцією по температурі під

ЗМІСТ

1. Технологічна частина

1.1 Аналіз роботи технологічного процесу й опис виробничої установки

2. Аналіз роботи оператора

1.3 Визначення передатного числа редуктора і розрахунок ділянок довжин стрічок конвеєра

1.4 Розрахункова схема механічної частини електроприводу

2. Вибір системи електроприводу і автоматизації

2.1 Розрахунок навантажень механізму встановлення і побудова навантажувальної діаграми

2.1.1 Розрахунок навантажень механізму і попередній вибір редуктора

2.1.2 Розрахунок навантажень механізму на холостому ходу

2.1.3 Побудова навантажувальної діаграми механізму

2.2 Попередній розрахунок потужності двигуна

2.3 Вимоги до автоматизованого електроприводу

2.4 Патентно-інформаційний пошук по об'єкту проектування

2.5 Попередній вибір двигуна, способу управління і комплектного перетворювача

2.5.1 Вибір способу управління і двигуна

2.5.2 Вибір комплектного перетворювача

3. Техніко-економічне обгрунтування раціональної системи електропривода

4. Розрахунок електромеханічних процесів в електроприводі

4.1 Побудова навантажувальної діаграми з урахуванням регулювання координат електропривода

4.2 Перевірка обраного електропривода по перевантажувальної здатності і нагрівання

5. Розрахунок і проектування силової схеми автоматизованого електропривода

5.1 Вибір згладжує дроселя

5.2 Вибір силових діодів

5.3 Вибір конденсаторів силового фільтра

5.4 Вибір силових транзисторів

5.5 Вибір конденсаторів вхідного фільтра

5.6 Вибір гальмівного резистора

6. Проектування системи автоматичного керування

6.1 Математичне опис об'єкта управління

6.1.1Математіческое опис асинхронного електродвигуна з рівнянь узагальненої машини

6.1.2 Математичне опис асинхронного електродвигуна в сталих режимах

6.1.3 Складання структурної схеми частотно-регульованого асинхронного двигуна

6.2 Розрахунок основних параметрів для функціональної схеми САУ

6.2.1 Визначення втрат потужності в електродвигуні

6.2.2 Розрахунок параметрів схеми заміщення

6.3 Синтез регулятора моменту

6.4 Побудова статичних характеристик електроприводу

6.5 Перевірка електродвигуна по нагріванню при роботі на нижній швидкості.

7. Аналіз динамічних характеристик технологічної установки

7.1 Моделювання динаміки технологічної установки

7.2 Визначення показників перехідних процесів

8. Вибір та проектування систем автоматизації виробничої установки

8.1 Формалізація умов роботи установки

8.2 Розробка алгоритму управління

8.3 Розробка алгоритму управління

8.4 Вибір апаратів.

8.4.1 Вибір програмованого контролера і складання програми

8.4.2Вибор апаратів

9. Конструктівноя розробка пульта управління

10. Проектування схеми електропостачання і захисту установки

10.1 Вибір апаратів і кабелів

10.2 Проектування захистів

11. Налагодження та діагностика електроприводу та системи автоматизації установки

11.1 Налагодження та діагностика електроприводу

11.2 Налагодження системи автоматизації

12. Охорона праці

12.1 Правила експлуатації хлібопекарської печі

12.2 Техніка безпеки і охорона праці

12.3 Розрахунок занулення

13. Техніко-економічні показники

13.1 Загальні відомості

13.2 Розрахунок початкових витрат

13.3 Визначення експлуатаційних витрат

13.4 Аналіз отриманих техніко-економічних показників

ВСТУП

Вживання людиною у їжу зерна Хлібовому злаків і продуктів його переробки має свою історію, обчислюється тисячоліттями.

У дореволюційній Білорусі промислове виробництво здійснювалося в основному в дрібних кустарних механізованих пекарнях. У перші роки після революції була проведена націоналізація хлібопекарських підприємств і виробництво хліба було зосереджено в більш великих і щодо кращих пекарнях. Сучасне хлібопекарське виробництво в Білорусі зосереджено в основному на великих хлібозаводах. На цих підприємствах проведена повна механізація та автоматизації всіх основних виробничих операцій, з яких складається процес приготування хліба.

Найбільш складною і відповідальною операцією приготування хліба є випічка. Випічка - це процес прогріву расстояться тестових заготівель, що призводить до їх перетворення зі стану тесту в стан хліба. Для випічки хліба та хлібних виробів звичайно застосовуються печі, в яких тепло випікається тесту-хлібу передається термоізлученіем і конвенцією при температурі поверхнях 300 - 400 ˚ С і середовища пекарної камери 200 - 250 ˚ С. Найоптимальнішим варіантом автоматизації процесу випічки є автоматичне регулювання вологості в зоні парозволоження печі, температур кірки і м'якушки випікається продукції. Однак створення такої системи регулювання важко через недосконалість приладів вимірювання вологості і температури м'якушки. Тому застосовують непрямі схеми регулювання.

У даному дипломному проекті необхідно розробити одну з таких схем. Необхідно спроектувати схему автоматичного регулювання тривалості випічки з корекцією по температурі в другій зоні пекарної камери, де відбувається випічка м'якушки. Застосування такої схеми автоматизації повинно привести до покращення якості випеаемой продукції і зменшення шлюбу.

1.ТЕХНОЛОГІЧЕСКАЯ ЧАСТИНА

1.1 Аналіз технологічного процесу й опис виробничої установки

Теплова, точніше гігротермічної обробки тесту є процесом, завершальним перетворення його в готовий продукт (хліб, хлібобулочні вироби, печення, бублики або напівфабрикат кондитерських виробів, що піддається оздоблювальних операцій, після яких він стає готовим продуктом (тістечок, тортом, пряником і т.д. )) [1].

У пекарної камері хлібобулочної, кондитерської або бубличних печі повинен бути створений такий режим процесу випічки, який забезпечив би отримання продукту високої якості.

Дослідженнями радянських учених М. І. Краснонцева, А. С. Гінзбурга, А.А. Міхелева встановлені основні теплофізичні закономірності, що відбуваються при випічці. В основу розрахунку і проектування нових конструкцій і модернізації діючих печей для випічки хліба, печива, бубликів і іншого асортименту повинні бути прийняті встановлені дослідженнями закономірності переносу тепла і вологи в процесі випічки.

Випічка є складним комплексним процесом, що складається з теплофізичного, колоїдного, мікробіологічного та біохімічного процесів, в результаті яких тісто перетворюється на готовий продукт: хліб, бублики, печиво і т. д. Основним чинником, що обумовлює процес випічки, є підігрів тесту-хліба.

При підвищенні температури тесту в ньому відбуваються хімічні реакції з значним виділенням вуглекислого газу, що є розпушувачем тіста. У результаті обсяг тестової заготовки збільшується. Зміна її об'єму відбувається до тих пір, поки тісто не прогріється до такої температури, при якій відбувається денатурація білків, а на поверхні утворюється щільний шар кірки, після чого зміна обсягу тесту-хліба практично не відбувається.

Протягом перших хвилин випічки подових сортів хліба, хлібобулочних виробів та іншого асортименту відбувається інтенсивне зволоження середовища пекарної камери (у деяких випадках в момент посадки зволожується поверхня тестових заготівель водою, розпилюється за допомогою спеціальних водяних форсунок).

При насиченні насиченим порам він конденсується на холодній поверхні тесту; в результаті цього на поверхні тістової заготовки утворюється тонка еластична плівка розчиненого тіста; завдяки цьому затримується утворення кірки і створюються умови для збільшення обсягу тестової заготовки без розривів її поверхні. Поверхня подового хліба виходить гладка, глянсувата, з гарним кольором. При випічці печива з зволоженням його зменшується тривалість прогріву і поліпшується якість печива.

При випічці бубликів тестові заготовки спочатку обварюються в киплячій воді або ошпарюють парою; при цьому центральний шар тіста прогрівають приблизно до 50-60 ˚ С, а поверхневий шар - до 60-70 ˚ С. У результаті цього в бубличні тесті починаються процеси клейстеризації крохмалю і денатурації білків. Утворився досить міцний «білковий скелет» при подальшому процесі практично забезпечує постійний обсяг бараночних виробів. У процесі Обварку або обшпаркі на поверхні тістових заготовок утворюється плівка розчиненого тіста, яка при подальшому прогріві спосрбствует утворення глянцевістой поверхні.

Піч хлібопекарська з електрообігрівом марки А2-ХПЯ-25 (надалі піч) призначена для випічки широкого асортименту хліба і булочних виробів. Пекти в складі механізованої лінії хліба або булочних виробів встановлюється на хлібопекарських підприємствах [2].

Технічні дані печі наведені в таблиці 1.1:

Таблліца 1.1

Технічна продуктивність подового хліба масою 0.8 кг з суміші житнього та пшеничного борошна II сорту, кг / год	520
Технічна продуктивність печі при випічці батонів нарізних масою 0.4 кг з пшеничної борошна I сорту, кг / год	642
Робоча площа поду, м 2 Технічна продуктивність печі при випіканні хліба	25
Ширина пода, м	2.1
Межі регулювання тривалості випічки, хв	17 ... 72
Довжина печі, мм	15300
Ширина печі, мм	3052
Висота печі, мм	1420

Деякі відомості про параметри технологічного процесу при випічці деяких видів хлібопекарських виробів наведені в таблиці 1.2:

Таблиця 1.2

Піч поставляється на місце монтажу у вигляді окремих збірних одиниць. Піч (рис 1.1) відноситься до печей тунельного типу з рухомим сітчастим подом (1), який приводиться в дію електродвигуном, встановленим на приводі (2). Сітчастий під натягнутий барабанами приводний (3) і натяжна (16) станціями. Пекарня камера печі секційна, збирається з секцій, встановлених в корпусах (4, 5, 6). Корпуси закриваються огорожами (7, 8, 9, 10, 11, 12), що мають двері для доступу до електронагрівача, встановленим в пекарній камері.

На вході в піч над натяжна станцією встановлено парасольку (13), службовець для відведення паро-повітряної середовища, що виходить з посадкового гирла. Такий же парасольку (14) встановлений і на виході печі і служить для відводу парів упека. Парасолі з'єднані системою газоходів (33) з витяжним вентилятором. Над парасолькою (14) встановлюється обприскувач готової продукції (17). Висоту посадкового і вивантажувального усть можна регулювати за допомогою шиберів, ручки управління яких (18) і (19) виведені на парасолі (13) і (14). Паропровід через патрубок (30) приєднується до конденсаторного баку (24).

Силовий розподільчий шафа (15) встановлюється у печі в районі огорожі останнього корпусу (6). Силова частина електроустаткування розміщується на печі (електрообігрівачі, електродвигуни приводів: сітчастого стрічкового конвеєра, механізму очищення сітки, пристрої обприскування готової продукції, вентилятора). В останній секції печі встановлюється щит управління (20), який отримує харчування від силового розподільної шафи (15) по кабелю (21). У корпусах, за дверима охолодження, розташовані рукоятки управління (23) з заслінками пекарної камери, а так само ручки шиберів (22) регулювання кількості відсмоктування паро-повітряної середовища з-під парасольок. Примусове видалення паро-повітряної середовища з пекарної камери в атмосфери може здійснюватися вентилятором (26) або, при відключенні вентилятора, за рахунок природної тяги.

Розтруб (29) кріпиться однією стороною до каркаса, а інший до відсмоктує газоходу пекарної камери. На поверхню корпусу виведені: рукоятка (27) шибера (31), регулює відсмоктування з-під парасольок. Для спостереження за процесом випічки в корпусі передбачено вікно (36).

Піч працює наступним чином: після розстойної шафи тестові заготовки надходять на сітчастий під (1), який транспортує їх в пекарню камеру печі. Пекарня камера розбита на 4 температурні зони. Нульова зона знаходиться на ділянці гідротермічної обробки і включає в себе 12 нагрівачів (35). Перша зона включає в себе 26, друга - 38, третя -

12 нагрівачів. Електронагрівачі розташовані в пекарній камері печі зверху і знизу сітчастого пода з двох сторін по ширині і з певними кроками по довжині пекарної камери (графічна частина: лист 1). У передній частині пекарної камери знаходиться зона парозволоження (41), де тестові заготовки послідовно походять всі теплові зони пекарної камери, де випікаються за час, відповідне технологічним вимогам на вироби. Кінематична схема механізмів печі наведена на рис. 1.2. Кінематична схема механічної частини електроприводу сітчастого пода складається з електродвигуна (1) АІР80В4 Р = 1.5 кВт, n = 1430 об / хв, клинопасової передачі D 90-D180 (2) від електродвигуна до блок-варіатору 11РАХ-02х190х6х50 TGL1293 (7), ланцюгової передачі z = 18 (8), z = 85 (9), зірочка (8) виконана в блоці з храповим механізмом, що відключає блок-варіатор при застосуванні ручного приводу, храповий механізм дозволяє також перетворювати дотичне рух рукоятки ручного приводу в обертальний рух приводного валу .

Кінематична схема механізму щітки для очищення сітчастого пода складається з електродвигуна 4A100L6 Р = 2.2 кВт, n = 1000 об / хв (16), клинопасової передачі із шківами (17, 18), ланцюгової передачі із зірочками z = 17 (19) і z = 48 (20), друга зірочка (20) насаджена на вал щітки. Кінематична схема механізмів обприскування складається з мотор-редуктора МЦ2С 63-71-КУЗ (21) та ланцюгової передачі z1 = z2 = 8 (22 і 23). Кінематична схема механічної частини електроприводу вентилятора складається з електродвигуна (20) 4A90l4 P = 2.2 кВт, n = 1500 об / хв, приводного валу (24) і робочого колеса вентилятора ВЦ4-75 № 5 (22).

1.2 Аналіз роботи оператора

Для забезпечення обслуговування оператором передбачається: дистанційне керування електродвигунами: конвеєра пода печі, вентилятора, механізму очищення сітки, механізму обприскування, та сигналізації про їх включення, а також автоматичне регулювання і контроль температури в камері пекарної по зонах печі.

При обслуговуванні хлібопекарської печі оператор виконує наступні операції:

1. Включає вступні і автоматичні вимикачі в розподільній шафі, подаючи напругу в щит управління та механізми печі.

2. Включає механізми печі: електронагрівачі, електродвигуни механізмів установки.

3. ТЕНи включаються окремо в залежності від виду випікається продукції.

4. Оператору необхідно за допомогою маховика блок-варіатора необхідний час випічки, задане за технологічною картою на вироби.

5. Оператору необхідно за допомогою ручки регуляторів температури встановити необхідні значення температури по зонах пекарної камери.

6. Оператору необхідно стежити за якістю випікається продукції та у разі необхідності коректувати час випічки.

7. Оператору необхідно стежити за технологічним процесом і в разі аварії необхідно відключити всі механізми печі і електронагрівачі.

3. Визначення передатного числа редуктора і розрахунок ділянок довжин стрічки конвеєра

Кінематична схема механічної частини електроприводу сітчастого пода представлена ​​на рис. 1.3.

Метою даного дипломного проекту є модернізація приводу стрічкового конвеєра. Тривалість випічки необхідно регулювати електрично, тобто регулювати швидкість обертання приводного двигуна. У зв'язку з цим на кінематичній схемі (рис. 1.3) блок-варіатор замінений редуктором. За кінематичної схемою визначимо передавальні числа елементів кінематичного ланцюга.

Передаточне число клиноремінною передачі:

.

Передаточне число ланцюгової передачі (5), (6):

.

Передаточне число ланцюгової передачі (7), (8):

.

Передаточне число ланцюгової передачі (10), (11):

.

Розрахуємо ділянки довжин стрічки конвеєра. Маємо вихідні дані для розрахунку (табл. 1.3):

Таблиця 1.3

Робоча довжина пода:

.

Довжина ділянки l _12:

м.

Довжина ділянки l _23:

м.

Розрахуємо лінійні швидкості руху стрічки конвеєра, виходячи з значень меж регулювання часу випічки: t _min = 12 мін та t _max = 72 хв.

Максимальна лінійна швидкість:

м / с.

Мінімальна лінійна швидкість:

м / с.

Визначимо необхідну передавальне число редуктора. При цьому будемо

орієнтуватися на асинхронний електродвигун з короткозамкненим ротором з p _п = 2, де: p _п - число пар полюсів.

.

Визначимо необхідну передавальне число редуктора

4. Розрахункова схема механічної частини електроприводу

Розрахункова схема механічної частини електроприводу наведена на ріс.1.4.а. На схемі використані позначення:

J _ев - момент інерції приводного двигуна;

J _шк2 - момент інерції ведучого шківа (2);

J _шк3 - момент інерції веденого шківа (3);

J _БПР - момент інерції швидкохідного валу редуктора;

J _ТВР - момент інерції тихохідного вала редуктора;

J _{z 5} - момент інерції зірочки (5);

J _{z 6} - момент інерції зірочки (6);

J _{z 7} - момент інерції зірочки (7);

J _{z 8} - момент інерції зірочки (8);

J _МУФ - момент інерції запобіжної муфти (9);

J _{z 10} - момент інерції зірочки (10);

J _{z 11} - момент інерції зірочки (11);

J _пб - момент інерції приводного барабана (12);

J _р - момент інерції проміжного ролика;

J _нб - момент інерції натяжної барабана;

m ₁₂ - маса ділянки стрічки 1-2;

m ₂₃ - маса ділянки стрічки 2-3;

m ₃₁ - маса ділянки стрічки 3-1;

з ₁₂ - жорсткість клиноремінною передачі;

з ₂₃ - жорсткість зубчастої передачі редуктора;

з _34, з _45, з ₅₆ - жорсткість ланцюгових передач;

з _тек - еквівалентна жорсткість тягового органу;

М - обертаючий момент електродвигуна;

ω ₁ ... ω ₆ - кутові швидкості обертання елементів кінематичного ланцюга;

υ ₁ ... υ ₃ - лінійні швидкості руху ділянок кола;

М _с1 ... М _С6 - статичні моменти навантаження;

F _{c 1} ... F _{c 3-статичні} сили опору руху.

У даній розрахунковій схемі не були враховані маси ременів клиноремінною передачі, маси ланцюгів ланцюгової передач і жорсткість запобіжної муфти.

Очевидно, що в даній розрахунковій схемі можна знехтувати жорсткістю зубчастої передачі (з ₂₃₎ редуктора у зв'язку з її незначністю. Так само пренебрежем жорсткістю клиноремінною передачі (з ₁₂₎ і жорсткостями ланцюгових передач (з _34, с _45, з ₅₆₎ в зв'язку з малими довжинами ременів і ланцюгів передач.

Очевидно, що механічну систему необхідно привести до двухмассовой системі через наявність податливості в тяговому органі (з _тек). Проте в даному випадку ці жорсткості можна не враховувати з наступних причин:

1. Конвеєр має малу довжину (15 м). Тому деформації пружних механічних зв'язків тягового органу будуть незначні. Згідно з [3, 4] ці деформації проявляються при довжині конвеєра> 100 м.

2. Конвеєр буде плавно розігнатися з малим прискоренням а <0.4 м / с ^2. Згідно [3] механічні коливання в тяговому органі виникають, якщо конвеєр розганяється з прискоренням а 0.4 м / с ^2.

3. Оскільки усередині печі стрічка ковзає по металевих напрямних, то сила тертя, що виникає між стрічкою і направляють, буде демпфувати коливання в механічної частини електроприводу.

На підставі вищевикладеного можна зробити висновок, що дану механічну систему можна привести до одномасової системі і податливість тягового органу можна не враховувати. Розрахункова схема одномасової системи електропривода наведена на ріс.1.4.б. Визначимо радіус приведення:

м.

Визначимо приведений момент інерції за формулою:

.

Аналізуючи попередню формулу можна зробити висновок, що для визначення сумарного моменту інерції в першому наближенні можна обмежитися першими двома складовими, ті моменти інерції обертових мас після редуктора будуть малі через велику передавального числа редуктора. Перепишемо формулу (1.1) у вигляді:

. (1.2)

Оскільки редуктор і електродвигун поки не вибрані, то сумарний момент інерції буде визначено нижче.

2. ВИБІР СИСТЕМИ ЕЛЕКТРОПРИВОДА І АВТОМАТИЗАЦІЇ

2.1 Розрахунок навантажень механізму встановлення і побудова навантажувальної діаграми

2.1.1 Розрахунок навантажень механізму і попередній вибір редуктора

Широка механізація і автоматизація виробничих процесів різних галузей народного господарства, як правило, пов'язані з механізацією і автоматизацією допоміжних операцій транспортування руди, палива, сировини, деталей машин, кормів, продуктів і т. д. Усе більше застосування для вказаних цілей знаходять транспортні механізми безперервної дії .

Механізми безперервного транспорту простіше по своєму пристрою і експлуатації, ніж такі транспортні засоби, як крани та підйомники, що мають циклічний характер навантаження. За кількістю переміщуваних вантажів та довжині трас механізми безперервного транспорту часто можуть успішно змагатися з автомобільним і залізничним транспортом. Можна відзначити, наприклад, що в деяких країнах розвиток конвеєробудування і канатних доріг перевершує за темпами розвиток кранобудування [4]. Крім переміщення вантажів, вказані механізми можуть бути використані для перевезення пасажирів.

Найбільш поширеними механізмами безперервного транспорту є конвеєри різних типів, конструкція яких визначається головним чином характером вантажів, які переміщуються, вагою і швидкістю їх руху. Серед конвеєрів підприємств харчової промисловості частіше інших можна зустріти стрічкові конвеєри.

Основною конструктивною частиною механізмів безперервного транспорту і, зокрема, будь-якого конвеєра є замкнутий, безперервно рухається в процесі роботи тяговий орган, який виконується з стрічки спеціального виготовлення (текстильної, прогумованою, сталевий і т. п.), ланцюгів або канатів. Застосування тієї чи іншої конструкції тягового органу обумовлюється не тільки характером переміщуваного вантажу, але й умовами навколишнього середовища, в якій працює механізм. Тяговий орган звичайно приводиться в рух через провідні барабани, зірочки, багатогранні блоки і подібні до них пристрої за допомогою електричних двигунів.

При русі конвеєра приводний двигун повинен долати статичне навантаження, обумовлену силами тертя у всіх рухомих елементах, а також складову сили тяжіння вантажу, що транспортується на похилих ділянках конвеєра. Сили тертя виникають в підшипниках обертаючих елементів, в місцях контакту роликів і ковзанок з опорою, у тяговому елементі при його вигинах і внаслідок значної протяжності конвеєра і великої кількості рухомих елементів становлять значну частину сумарної статичного навантаження, а для горизонтальних конвеєрів визначають всю статичне навантаження приводу. Тому розрахунки сил тертя при проектуванні електропривода конвеєрів слід виконувати дуже ретельно, тому що саме ці сили визначають необхідну потужність і кількість приводних двигунів.

Сили опору руху конвеєра можна розділити на дві категорії: сили не залежні від натягу тягового елемента, і сили залежать від натягу. Перші виникають на прямолінійних горизонтальних і похилих ділянках і розподілені по ділянці рівномірно. Другі виникають на ділянках вигину тягового елемента і зосереджені в рамках дуги цієї ділянки.

Розрахунок фрикційного приводу заснований на рішенні, отриманому ще Ейлером для непружної гнучкої нитки. Згодом теорія передачі сили тертя була уточнена Н. П. Поповим та М. Є. Жуковським [5]. Обидва вчених незалежно один від одного і майже одночасно розглянули взаємодію блоку з гнучкою ниткою, яка має певної пружністю.

Загальна схема конвеєрної лінії представлена ​​на рис. 2.1

Розрахунок навантажень механізму і попередній вибір потужності електродвигуна будемо проводити за методикою, викладеною в [3]. Вихідні дані наведено в табл. 2.1.

Таблиця 2.1.

Маса 1 кг вантажу, що транспортується, відповідно до вказаної продуктивністю:

м _{г =} = = 10.89 кг.

Коефіцієнти опору руху на всіх ділянках згину приймемо рівними:

до _и1 = до _і2 = 1 + с _і = 1 +0.6 = 1.6.

Знаходимо маси ділянок конвеєра:

m ₁₂ = (m _л + m _г) * l ₁₂ = (18.2 +10.8) * 1.7 = 48.9 кг,

m ₂₃ = (m _л + m _г) * l ₂₃ = (18.2 +10.8) * 13.6 = 393.6 кг,

m ₃₁ = m _л * l ₃₁ = 18.2 * 15.3 = 277.7 кг.

Розрахункова сумарна маса:

m _Σ = m ₁₂ * до _и1 * до _і2 + m ₂₃ * до _і2 + m ₃₁ = 1.6 ² * 48.9 +1.6 * 393.6 +277.7 = 1035.1 кг.

Розрахуємо сили опору руху на прямолінійних ділянках:

Δ F ₁₂ = (g _л + g _г) * l ₁₂ * (з _п * cosβ + sinβ) = (18.2 * 10.8) * 9.81 * 1,7 * (0,25 * cos 0.174 + sin 0.174) = 205.4 H ,

ΔF ₂₃ = (g _л + g _г) * l ₂₃ * з _п = (18,2 +10,8) * 9,81 * 13,6 * 0,25 = 965,3 H,

ΔF ₃₁ = g _л * l ₃₁ * з _п = 18,2 * 15,3 * 0,25 = 681,1 Н.

Розрахункове результуюче зусилля на прямолінійних ділянках:

Δ F _п = к _и1 * до _і2 * Δ F ₁₂ + до _{і2 *} Δ F ₂₃ + ΔF ₃₁ = 1.6 ^{2 *} 205,4 +1,6 ^* 965,3 +681,1 = 2751,4 Н.

Мінімальна припустима натяг у точці збігання стрічки з приводного барабана з умови Ейлера:

Т _{сб min} = = = 11952.7 H.

Так як при визначенні м _Σ не враховувалися маси барабанів та опорних роликів, то Т _сб слід прийняти з деяким запасом щодо значення Т _{сб min:}

Т _сб = до _зап * Т _{сб min} = 1,4 * 11952.7 = 16733.7 Н.

Визначимо натяг в точці набігання на приводний барабан:

Т _нб = к _и1 * до _і2 * Т _сб + Δ F _п = 1.6 ² * 16733.7 +2751.4 = 45589.8 Н.

Для побудови діаграми тягових зусиль викреслив трасу конвеєра з усіма підйомами та спусками, приводний і натяжний станціями, напрямних блоком і барабанами. Потім, якщо слідувати від найменш навантаженого ділянки конвеєра, проводиться облік втрат у кожному елементі і виходить натяг тягового органу по всій довжині. На рис. 2.2 наведена діаграми тягових зусиль стрічкового конвеєра.

Для розрахунку потужності приводної станції необхідно знати ККД кінематичного ланцюга. Приймемо орієнтовні значення ККД елементів кінематичного ланцюга з [6] (табл. 2.2).

Таблиця 2.2.

Сумарний ККД кінематичного ланцюга приводу:

η _{КЦ πΣ} = η _рп * η _р * η _цп1 * η _цп2 * η _м * η _цп3 = 0.95 * 0.96 * 0.9 * 0.9 * 0.98 * 0.9 = 0.65.

Потужність приводної станції визначається відповідно до розрахункової статичним навантаженням F _ст і заданою швидкістю руху конвеєра:

Р _з = = 1.1 * = 805.8 Вт,

де: к ₃ = 1.1 - коефіцієнт запасу, що враховує неточності розрахунку сили опору і не облік динамічних навантажень приводу при пуску й гальмуванні.

Попередній вибір редуктора будемо виробляти по необхідному передавальному числу, визначеному в пункті 1.3, і максимальної переданої потужності.

Вибираємо з [6] редуктор типу Ц2-100-16-12-АУ2 з наступними паспортними даними (табл. 2.3.).

Таблиця 2.3

Визначимо передавальне число кінематичного ланцюга з урахуванням реального передавального числа редуктора:

i _КЦ = i _рп * i _р * i _цп1 * i _цп2 * i _цп3 = 2 * 12,5 * 4,72 * 3,44 * 2,42 = 1100.21.

Визначимо максимальну і мінімальну кутові швидкості обертання електродвигуна, виходячи з діапазону регулювання і передавального числа кінематичного ланцюга:

ω _{ед. max} = = = 145.2 с ^-1,

ω _{ед. min} = = = 26.4 с ^-1.

2.1.2 Розрахунок навантажень механізму на холостому ходу

Розрахунок навантажень механізму на холостому ходу будемо провадити за тією ж методикою, що і завантаженого приводу, тому пояснення до розрахунку опускаються.

m ₁₂ = m _л * l ₁₂ = 18.2 * 1.7 = 31.3 кг;

m ₂₃ = m _л * l ₂₃ = 18.2 * 13.6 = 246 кг;

m ₃₁ = m _л * l ₃₁ = 18.2 * 15.3 = 277.7 кг;

m _Σ = к _и1 * до _і2 * m ₁₂ + до _і2 * m ₂₃ + m ₃₁ = 1.6 ² * 31.3 +1.6 * 246.9 +277.7 = 752.8 кг;

Δ F ₁₂ = g _л * l ₁₂ * (з _п * cosβ + sin (β)) = 18.2 * 9.81 * 1.724 * (0.25 * cos (0.174) + sin (0.174)) == 128.7 Н;

Δ F ₂₃ = g _л * l ₂₃ * з _п = 18.2 * 9.81 * 13.6 * 0.25 = 605.5 Н;

Δ F ₃₁ = g _л * l ₃₁ * з _п = 18.2 * 9.81 * 15.3 * 0.25 = 681.1 Н;

Δ F _п = к _и1 * до _і2 * Δ F ₁₂ + до _і2 * Δ F ₂₃ + ΔF ₃₁ = 1.6 ² * 128.7 +1.6 * 605.5 +681.1 = 1979.7 H;

Т _нб = к _и1 * до _і2 * Т _сб + Δ F _п = 1.6 ² * 16733.7 +1979.7 = 44818.1 H;

F _cmax = Т _нб - Т _сб = 44818.1-16733.7 = 28034.3 Н.

Визначимо момент опору на валу двигуна приводної станції:

М _ст = = = 5.1 Н * м.

ККД кінематичного ланцюга є функцією завантаження і може бути апроксимована за формулою [3]:

η _КЦ = ,

де: b - коефіцієнт постійних втрат;

а - коефіцієнт змінних втрат;

k _заг - коефіцієнт завантаження.

k _заг = = = 0.97;

b = ;

a = γ * b = 0.24 * 1.2 = 0.29;

де: γ - відношення коефіцієнтів змінних і постійних втрат. Приймаємо з [] γ = 1.2

η _кцмах = .

Момент опору на валу електродвигуна при розвантаженому конвеєрі:

М _{c тх x} = = = 4.9 Н * м.

Момент опору на валу електродвигуна, створюваний навантаженням:

М _наг = М _{ст-М cmax} = 5.1-4.9 = 0.2 Н * м.

Як видно з останніх розрахунків, статичний момент, створюваний навантаженням становить ≈ 4% від сумарного статичного моменту. Це говорить про те, що майже вся потужність, що передається з валу електродвигуна, витрачається на подолання сил тертя в кінетичної ланцюга та тяговому органі.

2.1.3 Побудова навантажувальної діаграми механізму

Конвеєр відноситься до механізмаам безперервної дії, для електроприводу якого характерний тривалий режим роботи S 1. Тривалим номінальним режимом (S 1) роботи електричної машини називається режим роботи її при незмінному навантаженні такий, що перевищення температури всіх частин електричної машини досягають сталих значень [7}. Ілюстрація цього режиму дана на рис. 2.3. У паспортних даних двигунів тривалого номінального режиму роботи вказуються номінальні потужності Р _ном, кВт, частота обертання n _ном, об / хв, напруга U _ном, В, струм I _ном, А. Номінальна тривалість режиму роботи, як випливає з рис. 2.3, відповідає простий графік перевищення температури, що приймає усталене значення τ _у = ΔР _ном / А. Так як умовами номінального режиму визначено, що температура охолоджуючої середовища Θ _{середовища, ном} ≤ 40 ° С, то температура лімітується значенням Θ ≤ Θ _{середовища, ном} + ΔР _ном / А, при якому забезпечується номінальний термін служби ізоляції. Одночасно вказане значення є найбільшим для цього номінального режиму. За час роботи конвеєра статичний момент опору залишається постійним. Для режиму роботи S1 час пуску і гальмування мало в порівнянні з обіім часом роботи, і тому ці моменти у побудові навантажувальної діаграми не враховуються.

На підставі сказаного вище можна побудувати навантажувальну діаграму механізму конвеєра (рис. 2.4.).

2.2 Попередній розрахунок потужності двигуна

Мо щ ність приводної станції визначається відповідно до розрахункової статичним навантаженням і заданої скоростьюдвіженія конвеєра була розрахована в пункті 2.1.1. Проте слід врахувати, що при тривалому режимі роботи на зниженій швидкості погіршуються умови охолодження самовентіліруемих двигунів. Тому потрібно завищувати потужність електродвигуна або застосовувати примусову вентиляцію. Останній варіант веде до різкого збільшення капітальних витрат, тому вигідніше завищити потужність електродвигуна. Методика визначення допустимого моменту за умовами нагріву наведена в [8]. Методика громіздка вимагає знання параметрів схеми заміщення електродвигуна. Тому для попереднього вибору електродвигуна скористаємося розрахунковими кривими залежності допустимого по нагріванню моменту від швидкості обертання електродвигунів серії А, наведеними в цьому ж джерелі (рис. 2.5.), Причому нижній межі допустимих по нагріванню моментів для всіх двигунів єдиної серії є залежність цього моменту від частоти двигуна А91-2. При D _ω = 6 α = 1 / 6 = 0.17 отримуємо відносне значення допустимого по нагріванню моменту μ _τ = 0.65. Отже, при виборі електродвигуна для даного діапазону регулювання та режиму роботи S 1 слід збільшити розрахункову потужність в 1 / μ _τ разів.

.

K _3охл - коефіцієнт запасу за умовами охолодження.

Р _ед = k _3охл * Р _з = 1.53 * 805.8 = 1239.8 Вт

2.3 Вимоги до автоматизованого електроприводу

Конвеєри залежно від їх призначення і області застосування можуть експлуатуватися в найрізноманітніших умовах і в тому числі вкрай несприятливих: на відкритому повітрі, на висоті над рівнем моря, що перевищує 1000 м (стрічкові конвеєри гірничодобувних підприємств, високогірні канатні дороги), а також у приміщеннях , що містять пари активних речовин і характеризуються підвищеною вологістю, забрудненістю, високою температурою навколишнього середовища (фарбувальні та сушильні лінії, термічні цехи) [3]. Це визначає необхідність використання для даної групи механізмів електрообладнання, за типом і виконання відповідає перерахованим умовам, і висуває жорсткі вимоги щодо безпеки та простоти його обслуговування, надійності роботи. Це в першу чергу відноситься до приводних двигунів, які, як правило, повинні мати закрите виконання і володіти підвищеним пусковим моментом.

Безперервний, односпрямований характер роботи розглянутих механізмів визначає тривалий режим роботи їх електроприводів, які виконуються нереверсивними, за винятком рідкісних випадків, де потрібна зміна напрямку руху, наприклад для ескалаторів. Конвеєри суворо транспортного призначення мають одну незмінну швидкість руху і не вимагають регульованого електроприводу. Для деяких конвеєрів, обслуговуючих технологічні процеси, наприклад для складальних конвеєрів, фарбувальних і сушильних ліній і т. п., де при зміні зібраного або виробу потрібна зміна швидкісного режиму, застосовується регульований електропривод.

У сучасному поточному виробництві робота декількох конвеєрів може об'єднуватися загальним виробничим процесом. У цьому випадку руху окремих конвеєрів повинні бути суворо узгоджені між собою за швидкістю. Така задача виникає, наприклад, коли різні вироби після необхідних технологічних операцій на окремих конвеєрних лініях повинні зустрічатися на складальному конвеєрі в точній позиційному відповідності один з одним. До електроприводам таких конвеєрів пред'являються вимоги узгодженого обертання.

Важливим загальним вимогам, які ставляться до електроприводів механізмів безперервного транспорту, є забезпечення платності пуску і гальмування з надійним обмеженням прискорення та ривка, а також максимального моменту двигуна і його похідної [3]. Для канатних і стрічкових конвеєрів великої протяжності це вимога обумовлена ​​наявністю великих поступально рухомих мас, приведений момент інерції яких може в 10-20 разів перевищувати момент інерції двигунів, і значною піддатливістю тягнуть канатів і транспортерної стрічки. Великі махові маси установки збільшують можливість пробук-совиванія приводних барабанів і шківів щодо стрічок і канатів при пуску. Різке додаток моменту при наявності пружних механічних зв'язків викликає механічні коливання при пуску, в результаті чого в стрічці або канаті виникають додаткові динамічні зусилля. Вимога плавності пуску і уповільнення залишається в силі і для установок з коротким тяговим елементом. В одних випадках обмеження прискорення та ривка до необхідних норм диктується умовами транспортування людей (ескалатори, канатні дороги), в інших випадках - умовою надійного зчеплення транспортуються виробів зі стрічкою (стрічкові конвеєри) або зменшенням розгойдування колисок і кабін (підвісні конвеєри).

На підставі вищевикладених міркувань і опису технологічного процесу сформулюємо вимоги до електроприводу конвеєра пода і системі автоматизації печі.

1. Електропривод повинен забезпечити заданий діапазон регулювання швидкості руху конвеєра (D = 6).

2. Система управління електроприводом повинна забезпечити корекцію швидкості руху конвеєра в залежності від температури в другій зоні пекарної камери.

3. Електропривод повинен забезпечити плавний розгін (гальмування) конвеєра з допустимим прискоренням (уповільненням), щоб уникнути механічних коливань у тяговому органі (а _доп = 0.4 м / с ^2).

4. Електропривод повинен забезпечити запас пускового моменту для подолання моменту рушання - (1.8 ÷ 2.5) М _ном.

5. У результаті модернізації кінематична схема електропривода має зазнати мінімум змін, щоб зменшити капітальні роботи, у зв'язку з модернізацією приводу.

6. Оскільки установка працює в тривалому режимі роботи на всьому діапазоні регулювання швидкості руху, то електропривод повинен забезпечити регулювання споживає потужності з мережі, тобто бути енергоекономічним.

7. Оскільки електропривод працює в тривалому режимі роботи, то високі вимоги до часу розгону і гальмування не пред'являються.

8. Система автоматизації повинна забезпечити контроль і регулювання температури по зонах пекарної камери.

9. Система управління електроприводом повинна забезпечити виключення аварійних режимів для електроприводу.

10. Електропривод повинен бути зручний і гнучкий в управлінні.

11. Система автоматизації повинна забезпечити чіткі дії схеми керування установкою при нормальному й аварійному режимах роботи.

12. Система автоматизації повинна бути простою і надійною в експлуатації.

13. Система автоматизації та електропривод повинні мати мінімальні розміри і вартість.

14. Система автоматизації та електропривод повинні відповідати вимогам, що пред'являються ПУЕ та правилами пожежної безпеки.

2.4. Патентно-інформаційний пошук по об'єкту проектування

1. Економічний електропривод для Європи [9].

За даними комісії ЄС Європа майже на 10 років відстає від Північної Америки за використання двигунів (Д) з високим ККД. Якщо б всі Д мали ККД, як у кращих кострукцій, то необхідність в електроенергії сьогодні в Європі знизилася б на 3000 МВт, витрати - на 1 млн. доларів і викиди СО ₂ - на 13.4 млн. т. Якщо б на всіх насосах був встановлений регульований ЕП, то ці цифри потроїлися б. За даними ЄС широке поширення Д з високим ККД в 2010 році заощадило б у промисловому секторі ще 9.6 Т ∙ Вч. Висловлено думку, що ККД ЕП більшою мірою залежить від системи управління. Представник компанії АВВ зауважив, що поліпшення технології виробництва Д дозволяє підняти їх ККД без помітного подорожчання Д і що компанія випускає Д з високим ККД як стандартні. Вчені Італії розробили комп'ютерну програму оптимізації конструкції Д. Їхні роботи показують, що експлуатаційні витрати на Д оптимальної конструкції 1.5 кВт знижуються на 36%, 18.5 кВт - на 19% без підвищення витрат на їх виробництво. Розглянуто шляхи впровадження Д з високим ККД в Європі за допомогою законодавства, агітації та ін методів.

2. Електропривод в майбутньому [9].

За наявними оцінками сьогодні менше 5% ЕД управляється інвертором (І), навіть серед недавно встановлених ЕД ця цифра не перевищує 10%. Для широкого поширення регульованого електропривода (РЕП), на думку представників компанії Hitachi (Японія), необхідно радикально змінити ціни і конструкцію РЕП. У майбутньому РЕП регулятори повинні бути розділені на модульні елементи, які комбінуються у залежності від застосування. За допомогою звичайних мікросхем можна буде сформувати регулятор для спеціального призначення: упаковки, перекачування, вентиляції або виробництва сталі. Малопотужні РЕП повинні вбудовуватися в інструмент або обладнання та їх ціна не повинна перевищувати 10 ф.с. Не тільки в компанії Hitachi вважають, компанія Mitsubishi вже продає вбудовувані І для виробників обладнання, причому І серії SC - А потужністю 200 і 400 Вт стоять менше 80 ф.с. Відзначено велика економія, яку може дати широке застосування РЕП в Європі, але якщо не застосовувати заходів щодо зменшення засмічення мережі гармоніками, вартість фільтрів буде більше вартості самих І.

3. Застосування перетворювача частоти VARISPEED - 676 H 5 для електропривода стрічкового конвеєра нового типу [9].

Описано багатодвигунні ЕП системи ПЧ - АД стрічкових конвеєрів, виконаний на ПЧ VS - 67 H 5 / з серії VARISPEED. ШІМ-інвертор виконаний на IGB Т - приладах. Розглянуто декілька варіантів виконання конвеєрів і їх ЕП. Описана система управління, виконана на цифрових процесорах і центральної ЕОМ, пов'язану в єдину інформаційно-керуючу мережу з дисплеями. Системи можуть мати різне виконання в залежності від того, який агрегат чи технологічна лінія обслуговуються даними конвеєром.

4. Захист і технічна діагностика тиристорного ЕП стрічкового конвеєра [9].

В даний час конвеєрні лінії вугільних шахт практично повністю автоматизовані. При цьому автоматизація зводиться до того лише до автоматичного запуску й аварійного останову. Наступним етапом автоматизації повинно бути регулювання швидкості руху стрічки, що при нерівномірному вантажопотоці із забоїв усуне недовантаження конвеєра і його холостий пробіг за рахунок автоматичної стабілізації погонного навантаження. Для регулювання швидкості руху стрічки найбільш доцільним, в даний час, є тиристорний ЕП на основі АВК. З метою підвищення надійності АВК розглянута структура мікропроцесорного пристрою, призначеного для захисту та діагностування ЕП на основі АВК.

5. Піч БН-25. [10]

Вона складається з восьми секцій довжиною 1.5 м кожна. Пекарня камера печі на чотири теплові зони. Обігрів здійснюється за допомогою трубчастих електронагрівачів ТЕНів) потужністю 1.8 кВт кожний. Потужність електронагрівачів, розміщених над сітчастим подом, складає 91,8 кВт, а під ним-59,4 кВт.

Для обігріву першої зони встановлено 18 верхніх і 12 нижніх електронагрівачів, другий-15 верхніх і 9 нижніх; третій - 12 верхніх і 6 нижніх і четвертої - 6 верхніх і 6 нижніх.

Пристрій для зволоження розташоване на початку печі і складається з чотирьох перфорованих труб з отворами 2,5 мм. Труби встановлені на відстані 220 мм до пода з кроком 130 мм. Над трубами розміщений ковпак шириною 2,67 м і довжиною 0,56 м. Пароувлажнітельное пристрій відокремлено від пекарної камери поворотною заслінкою.

По всій довжині печі, у верхній її частині, змонтований металевий вентиляційний канал діаметром 160 мм.

Привід печі здійснюється від трьох швидкісний електродвигуна потужністю 0,8, 1,0 і 1,2 кВт з частотою обертання відповідно 750, 1500 і 3000 об / хв. Тривалість випічки в інтервалі кожного діапазону регулюється варіатором швидкості.

6. Піч БН-50 [10].

Вона складається з шістнадцяти з'єднаних між собою секцій довжиною по 1500 мм. Кожна пекарня камера ізольована скловатою товщиною з боків 350, знизу - 245 і зверху - 450 мм. Обігрів здійснюється трубчастими електронагрівачами потужністю 2 кВт кожен. У верхній частині над сітчастим подом розміщено 87 електронагрівачів, в нижній - 72. Піч розбита на чотири теплові зони з незалежним верхнім і нижнім обігрівом.

7. Печі ХПС - 25 і ХПС-40 [].

Це печі тунельного типу з електрообігрівом призначені для випічки широкого асортименту хлібобулочних виробів в районах з достатніми ресурсами дешевої електроенергії. Печі ХПС-25 і ХПС-40 розроблені ВНІІХПом і виготовляються на базі печей ПХС-25 м і ПХС-40м.

Електрична схема печі розрахована на підключення мережі трифазного змінного струму напругою 380/220 В. Для обігріву печі застосовуються типові трубчасті електронагрівачі, які захищаються від коротких замикань автоматичними вимикачами типу А-3114 і АП50-ЗМТ. Електрична схема печі передбачає три ланцюги управління: температурним режимом печі, конвеєром печі і вентилятором.

Ланцюг управління температурним режимом печі містить вісім однакових регулюючих контурів, що складаються з датчиків термопари ТХК-0515 (піч ХПС-25), термопари TXK .- XIII (піч ХПС-40), вторинних приладів (потенціометри ЕПВ2-11А) та виконавчих механізмів (магнітні пускачі серії ПА).

Пекарня камера печі розбита на чотири зони, у кожній з яких виробляється самостійне регулювання і контроль температури. У першій зоні печі (верх і низ) нагрівачі розбиті на дві групи, які можуть включатися вручну або в автоматичному режимі. У нижній частині першої зони, а також в інших зонах нагрівачі розбиті на дві групи, які управляються автоматично. При температурі в зоні нижче заданої автоматично включаються всі нагрівачі і після досягнення нижньої межі заданої температури одна з груп відключається, а при досягненні верхньої межі заданої температури відключається друга група.

Ручне управління передбачає два режими роботи: слабкий нагрів, сильне нагрівання. Після розігріву печі до робочого стану систему управління піччю переводять з ручного режиму на автоматичний. Відповідно до сортом виробів, що випікаються температура випічки встановлюється на верхній шкалі потенціометра для кожної зони.

8. Піч ХПС-100 [10].

Вона розроблена Галузевий лабораторією з хлібопекарським печей КТІППа і призначена для випічки широкого асортименту хліба і булочних виробів. У печі з метою уніфікації використані вузли і окремі елементи печей ПХК.

Сітчастий під печі кріпиться як і в печах ПХК до двом провідним ланцюгах. У зоні зволоження сітчастий під переміщається по куполоподібної траєкторії з регульованим підйомом купола, що забезпечує проходження тестових заготовок в зоні високої вологості парового ковпака.

Обігрів пекарної камери здійснюється Тенамі довжиною 3 м.

У печі застосована система секційного складання. Секції мають довжину 4 м кожна і з'єднуються між собою компенсаторами температурних розширень.

Температурний контроль за довжиною пекарної камери здійснюється в кожній теплової зоні та зоні зволоження.

9. Піч П-119м [10].

Вона призначена для випічки широкого асортименту хлібобулочних виробів, випускається серійно Шебекинські машинобудівним заводом.

Піч є люлечно-подіковой тупикової каркасно-панельного типу. Конвеєр печі двонитковий, ланцюги конвейра втулочно-роликові з кроком 140 мм. На них підвішено 18 колисок розміром 1410 Х 285 мм. Піч забезпечена знімними подікамі розміром 1402 Х 350 мм. Корпуси підшипників переднього приводного валу винесені за межі пекарної камери і кріпляться в нішах бічних панелей печі.

Обігрів печі здійснюється від нагрівачів НВСЖ-2, 177 / 2,5 або іншого типу. Потужність кожного нагрівача 2,5 кВт. Всього в печі 30 нагрівачів, які розбиті на три групи. Тепловий режим регулюється трьома термопарами як автоматично, так і вручну.

Бічні стінки печі і верхнє перекриття виготовлені у вигляді пустотілих металевих панелей товщиною 250 мм, заповнених мінеральною ватою. Між гілками конвеєра розміщені витіснювальний короби, скорочують обсяг парогазової середовища пекарної камери. Тестові заготовки зволожуються на перших чотирьох колисках.

У зоні зволоження є додаткова група електронагрівачів, яка включається при випічка виробів потребують «обжарювання» на початку випічки.

10. Піч П-104 [10]

Піч люлечно-подіковая, тупикова, виготовляється Шебекинські машзаводом. На двонитковому конвеєрі підвішене 34 люльки розміром 1920 Х 350 мм, забезпечених знімними подікамі розміром 1905 Х 360 мм.

Пристрій печі П-104 ідентично печі П-119М. Обігрів здійснюється 72 нагрівачами НВСЖ-2, 177 / 2,5 сумарною потужністю 180 кВт, які розбиті на чотири зони, де температура регулюється і контролюється самостійно. У першій зоні печі нагрівачі розбиті на 3 групи, одна з яких може бути виключена. В інших зонах нагрівачі розбиті на дві групи. Регулювання температури автоматичне і ручний.

2.5 Попередній вибір двигуна, способу управління і комплектного перетворювача

2.5.1 Вибір способу управління і двигуна

В даний час для приводів малої потужності (до 20 кВт) найбільше застосування знайшли двигуни постійного струму і асинхронні двигуни. Двигуни постійного струму незалежного збудження мають відмінні регулювальними властивостями. Це пов'язано з тим, що магнітний потік регулюється незалежно про струму якоря. У електроприводах з двигунами постійного струму широкого поширення набули системи тиристорний перетворювач-двигун постійного струму (ТП-ДПТ). Це пояснюється простотою і відносною дешевизною тиристорних перетворювачів. ТП дозволяють регулювати вихідну напругу в широких межах і володіють високою швидкодією. Ці обставини дозволяють будувати на основі систем ТП-ДПТ високоміцні системи регулювання технологічних процесів (системи управління швидкістю, становищем тощо) Однак система ТП-ДПТ має низку недоліків:

1. Недоліки двигунів постійного струму в основному пов'язані з наявністю колекторного вузла. ДПТ вимагають ретельного технологічного обслуговування (протирання колектора, часті заміни і регулювання щіток і т.д.), що збільшує експлуатаційні витрати і знижує надійність машини.

2. ДПТ мають погані масогабаритні показники, що в кінцевому підсумку збільшує ціну двигунів. ДПТ дорожче асинхронних двигунів приблизно в три рази.

3. У зв'язку з наявністю колекторного узда У ДПТ накладається обмеження на швидкість наростання струму, що зменшує швидкодію електроприводу.

4. Коефіцієнт потужності тиристорних перетворювачів залежить від вузла регулювання, тому при регулюванні швидкості вниз від номінальної збільшує частка зовнішніх гармонік, що веде до зниження коефіцієнта використання двигуна, збільшення потіли потужності і засмічення живильної середовища вищими гармоніками (перешкодами).

Найпростішим і надійним електромеханічним перетворювачем енергії є асинхронний двигун. Асинхронні двигуни мають низку переваг перед ДПТ:

1. Асинхронні двигуни прості і надійні в експлуатації, потребують мінімум експлуатаційних витрат.

2. Асинхронні двигуни мають найкращі масогабаритні показники, тому найбільш дешеві.

3. Асинхронні двигуни мають більший ККД у порівнянні з ДПТ при тій же потужності.

4. Асинхронні двигуни витримують великі перевантаження в порівнянні з ДПТ, що дозволяє одержати більш високу швидкодію.

Порівнюючи переваги і недоліки асинхронних двигунів і двигунів постійного струму, для проектованої установки вибираємо асинхронний двигун. Цей вибір обумовлений перерахованими перевагами, а так само тим, що таке рішення відповідає пункту 5 вимог до електроприводу.

Розглянемо найпоширеніші способи управління АТ.

1. Регулювання швидкості обертання АД введенням додаткового опору в ланцюг ротора.

Один з поширених способів регулювання швидкості, струму і моменту АД з фазним ротором пов'язаний із введенням і зміною додаткових резисторів у ланцюзі його ротора. Схема, в якій реалізується цей спосіб регулювання, наведена на рис. 2.6, а. Основною перевагою цього способу є простота реалізації, що визначило його широке застосування в ряді електроприводів.

Для побудови сімейства одержуваних при цьому способі штучних механічних характеристик проведемо аналіз їх характерних точок.

а) швидкість ідеального холостого ходу АТ ω ₀ при регулюванні R _2д не змінюється;

б) максимальний (критичний) момент двигуна М _до також залишається незмінним;

в) критичне ковзання S _до збільшується при збільшенні R _2д.

Виконаний аналіз дозволяє уявити штучні реостатні характеристики у вигляді сімейства кривих, показаного на рис. 2.6, б. Використання цих характеристик для регулювання швидкості АД характеризується такими ж показниками, що і для ДПТ незалежного збудження. Діапазон регулювання швидкості невеликий - близько 2-3, що визначається зниженням жорсткості характеристик і зростанням втрат у міру збільшення діапазону регулювання швидкості.

Плавність регулювання при реостатному регулюванні невелика і визначається плавністю зміни додаткового резистора R _2д. Швидкість АТ змінюється тільки вниз від основної. Економічність способу визначається вартістю використаних засобів регулювання і витратами при експлуатації електропривода. Витрати, пов'язані зі створенням цієї системи електропривода, невеликі, оскільки для регулювання зазвичай використовуються прості і дешеві ящики металевих резисторів. У той же час при експлуатації цієї системи витрати великі, оскільки значні втрати енергії.

Електричні втрати в роторному ланцюзі ΔР _2, звані втратами ковзання, визначаються виразом

Δ Р ₂ = Р ₁ - Р ₂ = М * ω ₀ - М * ω = М * ω ₀ * s = Р ₁ * s.

Чим більше ковзання s, тим більше втрати в роторному ланцюзі, тому реалізація великого діапазону регулювання швидкості призводить до значних втрат енергії і зниження ККД електропривода.

Регулювання швидкості цим способом застосовується в тих випадках, коли потрібно невеликий діапазон регулювання швидкості і робота на знижених швидкостях нетривала. Наприклад, цей спосіб знайшов широке застосування в електроприводі ряду підйомно-транспортних машин і механізмів.

Розглянутий спосіб також використовується для регулювання струму і моменту АД при його пуску. Якщо звернутися до характеристик рис. 2.6. б, то можна відзначити, що за рахунок підбору опору резистора пусковий момент АД може бути збільшений аж до значення критичного моменту М _к. Це властивість АТ використовується при його пуску з моментом навантаження, що перевищує пусковий момент АД М _п на природній характеристиці.

2. Регулювання швидкості обертання АД перемиканням пар полюсів.

Цей спосіб (рис 6.7) використовується для регулювання швидкості багатошвидкісних АД з короткозамкненим ротором. Можливість отримання штучних характеристик АД даними способом, і отже, регулювання його швидкості, безпосередньо випливає з виразу для кутової швидкості магнітного поля АТ ω ₀ = 2 * π * ƒ ₁ / p.

Зміна числа пар полюсів АТ р проводиться за рахунок перемиканні в обмотці статора, при цьому число пар полюсів короткозамкнутого ротора змінюється автоматично. Так як кількість полюсів АТ може бути рівним лише цілому числу-1, 2, 3 і т. д., то отже, даний спосіб забезпечує тільки ступінчасте регулювання швидкості. Двигуни, які допускають регулювання швидкості цим способом, отримали назву багатошвидкісних. Зміна числа полюсів артеріального тиску досягається, коли на статорі АД розташовуються дві (або більше) не пов'язані один з одним обмотки, що мають різне число пар полюсів p ₁ і р _2. При підключенні до мережі однієї обмотки, наприклад, з ₁ парами полюсів, АТ має синхронну швидкість

₀₁ = 2 * π * ƒ ₁ / p _1.

Друга обмотка при цьому знеструмлена. Для отримання іншої швидкості відключається перший обмотка і підключається на мережу друга обмотка з р ₂ парами полюсів, при цьому синхронна швидкість АТ стане рівною

₀₂ = 2 * π * ƒ ₁ / р ₂

і АТ буде мати вже іншу механічну характеристику.

Поряд з такими АТ, що одержали назву багатообмотувальних, широке розповсюдження отримав інший тип багатошвидкісних АТ, у яких зміна числа пар полюсів обертового магнітного поля досягається за рахунок зміни схеми з'єднання статорної обмотки АТ. Для цього кожна фаза статора розділена на кілька однакових частин (частіше всього на дві частини) і має від них відповідне число висновків.

Даний спосіб регулювання швидкості характеризується рядом позитивних показників, що визначає широке його застосування в регульованому електроприводі змінного струму. До них в першу чергу слід віднести економічність регулювання, тому що регулювання швидкості зміною числа пар полюсів не супроводжується виділенням у роторної ланцюга великих втрат енергії ковзання, викликають зайвий нагрів АТ і погіршують його ККД.

З рис. 2.7. б видно, що механічні характеристики багатошвидкісних асинхронних електродвигунів відрізняються гарною жорсткістю і достатньої перевантажувальної здатністю.

Недоліком цього способу є ступінчастість зміни швидкості двигуна і відносно невеликий діапазон її регулювання, що не перевищує звичайно 6-8.

3. Регулювання швидкості обертання АД зміною напруги живлення.

Одним з можливих способів регулювання координат АТ є зміна напруги на висновках його статора, при цьому частота такої напруги постійна і дорівнює частоті мережі змінного струму. На рис. Лютому .8, а наведена схема електроприводу при реалізації цього способу. Між висновками живильної мережі і статора АД включений перетворювач напруги, при використанні якого може змінюватися напруга, що підводиться до статора АД.

На рис. Лютому .8, б наведено механічні характеристики АД при регулюванні напруги на висновках його статора. Як видно з цих графіків, одержувані штучні характеристики виявляються малопридатними для цілей регулювання швидкості, так як у міру зменшення напруги різко знижуються критичний момент АТ і його перевантажувальна здатність, а діапазон регулювання швидкості дуже малий. З цих причин розімкнена схема може використовуватися лише для регулювання моменту АТ і його струму, який пропорційний напрузі статора. Для регулювання швидкості АД створюються замкнуті системи.

Основними достоїнствами даної системи електроприводу є її відносна простота, надійність, легкість автоматизації в загальній технологічній схемі виробництва, зручність управління. Разом з тим ця система електропривода має істотний недолік, що полягає в великі втрати в обмотці ротора при роботі на низьких швидкостях. Дійсно, електричні потерн в роторі при низьких швидкостях і, отже, великих ковзаннях можуть бути досить високими, що зменшує ККД електропривода. Зазначений недолік не є дуже серйозним в тому випадку, коли час роботи АД на зниженій швидкості мало в порівнянні з часом циклу його роботи.

Діапазон регулювання швидкості при використанні зворотних зв'язків, наприклад по швидкості, відносно високий і досягає десяти. При використанні зворотних зв'язків можуть бути отримані жорсткі характеристики.

Економічність регулювання залежить від конкретних умов роботи електропривода. Зокрема, якщо час роботи на зниженій швидкості невелика порівняно з часом циклу, то економічність може бути високою.

Регулювання швидкості АД в цій системі плавне і виробляється тільки вниз від природної (основний) характеристики.

4. Регулювання швидкості обертання АД зміною частоти і амплітуди напруги живлення.

Частотний спосіб є одним з найбільш перспективних і широко використовуються в даний час способів регулювання швидкості АД. Принцип його полягає в тому, що, змінюючи частоту ƒ ₁ живлячої АТ напруги, можна відповідно до виразом ω ₀ = 2 * π * ƒ ₁ / р змінювати його синхронну швидкість ω _0, отримуючи тим самим різні штучні характеристики (рис 2.9, б ). Цей спосіб забезпечує плавне регулювання в широкому діапазоні, одержувані характеристики мають високу жорсткість. Частотний спосіб до того ж відрізняється і ще одним досить важливою властивістю: при регулюванні швидкості АТ не відбувається збільшення його ковзання, як це має місце, наприклад, при реостатному регулюванні. Тому при цьому способі регулювання втрати ковзання виявляються невеликими, у зв'язку з чим частотний спосіб найбільш економічний.

Регулювання таким способом може здійснюватися плавно, в широкому діапазоні, в обидві сторони від природної характеристики, тобто АТ може мати швидкість як більше, так і менше номінальної. При цьому регулювальні характеристики мають високу жорсткість, а АТ зберігає більшу перевантажувальну здатність.

У багатьох випадках хороші показники регулювання можуть бути досягнуті в розімкнутої системі. При підвищених вимогах до електроприводу необхідно використання тих чи інших зворотних зв'язків, тобто застосування замкнутої системи регулювання. Одержуваний діапазон регулювання швидкості в розімкнутих системах складає 5-10, а в замкнутих його значення може досягати 1000 і більше.

З усіх перерахованих вище способів керування АД вибираємо частотне регулювання, так як:

а) Система ПЧ-АД дозволяє виробляти плавний пуск електроприводу, що дозволяє уникнути механічних коливань у кінематичного ланцюга, підвищує її надійність і термін служби.

б) Система ПЧ-АД дозволяє регулювати швидкість обертання у всьому діапазоні без втрати перевантажувальної здатності, чого не дозволяє система ТРН-АД.

в) Система ПЧ-АД дозволяє плавно регулювати швидкість обертання у всьому діапазоні, чого не дозволяє здійснювати реостатне регулювання і регулювання перемиканням пар полюсів.

г) Система ПЧ-АД дозволяє регулювати кількість споживаної потужності, що робить систему ПЧ-АД найекономічнішою з перелічених. Це властивість особливо важливо в даній системі, так як електропривод працює на швидкостях нижче номінальної тривалий підтримки електродвигуна в режимі оптимального ККД. У даному випадку така економія може виявитися суттєвою, тому що статичний момент дорівнює приблизно половині номінального моменту на двигуні.

Виберемо з [11] асинхронний двигун для проектованого електроприводу. Потужність електродвигуна була розрахована раніше. Вибираємо АІР80В4 з наступними технічними даними (табл. 2.4):

Таблиця 2.4

За довідковими даними розрахуємо основні номінальні параметри електродвигуна.

Струм статора:

А.

Кутова швидкість обертання:

ω _н = ω _він * (1 - S _н) = 157.2 * (1-0.07) = 146.6 с ^-1,

де: ω _він - номінальна швидкість обертання магнітного поля.

Номінальний механічний момент:

.

Номінальний електромагнітний момент:

М _емн = 1.012 * М _мехн = 1.012 * 10.2 = 10.6 Н · м,

де: 1.012 - коефіцієнт, що враховує додаткові втрати і втрати на тертя в механічній частині електродвигуна.

2.5.2 Вибір комплексного перетворювача

Для проектованого електроприводу вибираємо перетворювач частоти фірми «Danfoss» серії VLT 5000. Фірма «Danfoss» випустила перший в світі серійний перетворювач частоти в 1968 р. З тих пір фірма встановила стандарт якості для електроприводів [12]. Її частотні перетворювачі VLT сьогодні продані і обслуговуються більш ніж у 100 країнах на шести континентах. У новій серії перетворювачів VLT 5000 закладено систему управління VVC ^PLUS - це нова система векторного керування без датчиків керуючого моменту. У порівнянні зі стандартним управлінням коефіцієнтом напруга / частота система VVC ^PLUS забезпечує покращену динаміку і стійкість як при зміні завдання швидкості, так і при зміні моменту навантаження. У системі управління ПЧ впроваджена система цифрова захист, який гарантує надійну роботу навіть при самих несприятливих експлуатаційних умовах. Електроприводи фірми «Danfoss» з системою управління VVC ^PLUS допускають ударні навантаження у всьому діапазоні швидкостей і швидко реагують на зміну завдання. Щоб зробити програмування простим і зрозумілим, параметри розділені на різні групи. Швидке меню проводить користувача через програмування кількох параметрів, які повинні бути встановлені, щоб розпочати роботу. Пульт керування знімний. Він включає алфавітно-цифровий дисплей з чотирьох рядків, даючи можливість відображати чотири параметри одночасно. Через знімний пульт управління запрограмовані значення можуть бути скопійовані з одного VLT на інший. Це зменшує витрати часу на програмування при заміні приводів або включення додаткового приводу в систему. Процес програмування виявляється легше, ніж в інших серіях. Перетворювачі VLT 5000 виконують більшість настройок автоматично. ПЧ серії VLT 5000 побудовані на базі інверторів з проміжною ланкою постійного струму і широтно-імпульсною модуляцією. В якості силових ключів використовуються біполярні транзистори з ізольованим керуючим електродом (IGBT). Функціональна схема перетворювача частоти серії VLT 5000 представлена ​​на рис. 2.10.

L, C 1 ... C 3 - вхідний LC фільтр, що поставляється по спеціальному замовленню, служить для згладжування імпульсів вхідного струму, а так само блокує високочастотні перешкоди з мережі в ПЧ і навпаки.

VD 1 ... VD 6 - некерований випрямляч для перетворення енергії змінного струму в енергію постійного струму.

R _з - зарядний резистор для попереднього заряду конденсаторів силового фільтра С4 ... С6.

С4 ... С6 - силові конденсатори для фільтрації випрямленої напруги в ланці постійного струму.

R _s - резисторний датчик зворотного зв'язку по струму інвертора для контролю струму інвертора, захисту інвертора від струмів короткого замикання.

VT 1 ... VT 6 - транзистори силового струму інвертора, можуть бути скомпоновані у вигляді полумя.

М - асинхронний виконавчий двигун.

ДБЖ - імпульсний блок живлення, забезпечує кілька стабілізованих напруг.

К - реле попереднього заряду. Включається після попереднього заряду силових конденсаторів, шунтуючи своїм контактом резистор R _з.

БВВУ - блок верхніх вихідних підсилювачів.

БНВУ - блок нижніх вихідних підсилювачів.

БВВУ і БНВУ служать для формування імпульсів управління силовими ключами.

Буї - блок управління інвертором. Головний керуючий вузол, який формує на виході 6 імпульсних сигналів формування ШІМ за різними алгоритмами. Відповідно до сигналами ОС, сигналами управління і обраних комплексами програм буї виконується на базі мікропроцесорних контролерів.

БІФ - блок інтерфейсу, забезпечує зв'язок схеми керування перетворювачем з зовнішнім пристроєм ЦПУ і АЛУ, персональним комп'ютером (РС), провідним приводом MD, а також видає сигнал для відомого приводу, якщо даний ЕП є ведучий.

БРИТ - блок реостатно-інверторного гальмування.

R _T - силовий гальмівний резистор.

БРИТ і R _Т поставляються за бажанням замовника.

Загальні технічні дані перетворювачі частоти серії VLT 5000 [13] наведені в таблиці 2.5:

Табл іца 2.5

Частотний перетворювач вибирається по струму. Номінальний струм I _{VLT. N} повинен бать дорівнює або більше від необхідного струму двигуна (I н = 3.56 А). Вибираємо з [12] перетворювач частоти типу VLT 5003. Технічні дані ПЧ VLT 5003 наведені у таблиці 2.6.

Табли ца 2.6.

3. Техніко-економічне обгрунтування РАЦІОНАЛЬНОЇ СИСТЕМИ ЕЛЕКТРОПРИВОДА

Рішення про вибір кращого варіанту приводу приймається на основі зіставлення наведених витрат на однаковий обсяг продукції, що випускається.

У даному проекті необхідно забезпечити регулювання тривалості часу випічки з корекцією по температурі в другій зоні пекарної камери. При цьому необхідно враховувати, що продуктивність печі при заміні системи приводу змінюватися не повинна, а також бажано зберегти незмінною конфігурацію обладнання та займану ним площу.

Нижче розглянуті деякі системи приводу конвеєра печі.

Регулювання тривалості часу випічки може здійснюватися механічно за допомогою блок-варіатора (існуючий варіант). Тоді для реалізації корекції тривалості випічки на маховик варіатора необхідно встановити регулюючий механізм (наприклад, сервопривід), який повертав би маховик в ту чи іншу сторону, залежно від температури. Такий варіант регулювання дуже простий і вимагає мінімальних капітальних витрат. Однак при частих поворотах ручки маховика буде сильно збільшуватися знос блок-варіатора, що в кінцевому підсумку призведе до швидкого виходу варіатора з ладу. Очевидно, що даний варіант регулювання нас не влаштовує.

Кращими показниками у порівнянні з розглянутим способом регулювання має електричне регулювання тривалості випічки, тобто зміною швидкості обертання приводного двигуна конвеєра.

В даний час найбільшого поширення набули системи електроприводу ТП - ДПТ НВ (тиристорний перетворювач - двигун постійного струму незалежного збудження) і ПЧ - АД (перетворювач частоти - асинхронний двигун). Нижче наведена таблиця [14], в якій методом експертних оцінок балами визначені аналізовані системи по ряду показників:

Таблиця 3.1.

Прийнято позначення: + - застосовується, ┴ - обмежено застосовуються, - - не застосовуються.

Тут У _к і У _ке характеризують відповідно збиток від ненадійності і витрати на компенсаційні пристрої (згладжують фільтри, дроселі і т.п.).

На підставі оцінок цієї таблиці вже можна зробити висновок про застосування асинхронного електропривода по ряду показників: габаритами, ККД, споживання електроенергії, реактивної потужності, менших витрат на мережеві фільтри. Остаточно це буде вирішено після розрахунку техніко-економічного ефекту. При цьому необхідно враховувати ряд факторів, таких як велика ремонтнопригодность асинхронних двигунів. Також це прогресивність застосування перетворювачів частоти, які на даному етапі по трудомісткості і складності ремонту ненабагато перевищують тиристорні перетворювачі постійного струму.

4. РОЗРАХУНОК ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ процесів в електроприводі

4.1 Побудова навантажувальної діаграми з урахуванням регулювання координат електропривода

Конвеєр відноситься до механізмів безперервної дії, для електроприводу якого характерний тривалий режим роботи S 1. За час роботи конвеєра статичний момент залишається постійним. Для режиму роботи S 1 час пуску і гальмування мало в порівнянні із загальним часом роботи.

Визначимо сумарний момент інерції за формулою [1.1]:

Висловимо з рівняння руху електроприводу:

час пуску електроприводу до номінальної швидкості:

де: М _дин = М - М _з = М _н - динамічний момент електроприводу.

Побудуємо навантажувальну діаграму електропривода (рис. 4.1).

4.2 Перевірка обраного електропривода по перевантажувальної здатності і нагрівання

Метою даного розрахунку є визначення максимального пускового моменту електродвигуна, який повинен бути більше моменту рушання механізму. Механічна характеристика конвеєра (або фрикційна характеристика) наведена на рис 4.2 (крива 1). Однак аналітичний розрахунок фрикційної характеристики дуже громіздкий і вимагає додаткових відомостей про елементах кінематичного ланцюга [3]. Тому апроксіміруем фрикційне характеристику прямими лініями (хар-ка 2).

Тут:

- Момент рушання;

- Мінімальний момент;

- Мінімальна швидкість.

Приймемо , Тоді

.

Перетворювач частоти дозволяє розганяти електродвигун з пусковим моментом, рівним критичному. Тому умова вибору електродвигуна по перевантажувальної здібності можна записати у вигляді:

.

Допустиме кутове прискорення:

,

0.81λ _m * M _н = 0.81 * 2.2 * 10.2 = 18.2Н · м.

З розрахунків видно, що умова вибору електродвигуна по перевантажувальної здатності виконується.

Очевидно, що обраний електродвигун необхідно перевірити по нагріванню при роботі по нижній швидкості. За розрахунковими кривим (рис. 2.5) визначимо максимально-припустимий момент за умовами нагрівання:

Отримуємо μ = 0.64. Отже, при роботі електропривода на нижній швидкості максимально-припустимий момент за умовою нагріву:

М _доп = μ * М _н = 0.64 * 10.2 = 6.5.

Умова перевірки ЕД по нагріванню М _доп> М _ст виконується.

Перевірка електродвигуна по нагріванню, з урахуванням параметрів схеми заміщення будуть наведений у пункті 6.

5. РОЗРАХУНОК І ПРОЕКТУВАННЯ СИЛОВИЙ СХЕМИ АВТОМАТИЗОВАНОГО ЕЛЕКТРОПРИВОДА

5.1 Вибір згладжує дроселя

Силова частина схеми перетворювача частоти представлена ​​на рис. 2.10.

Для струму короткого замикання застосовані дроселі, індуктивність яких вибирається з того, щоб обмежити струм короткого замикання на допустимому рівні протягом часу, поки спрацює захист Т = 10 мкс:

мкГн. (5.1)

Вибираємо з [15] згладжують дроселі типу Фросі-20. Паспортні дані дроселя наведені в таблиці 5.1:

Таблиця 5.1.

Розрахуємо активне опір дроселя:

Ом.

5.2 Вибір силових діодів

Вибір силових діодів здійснюється за середнім струму навантаження:

, (5.2)

де: k _ф = 1.6 - коефіцієнт форми, що враховує несинусоїдальність струму через діод;

k _пер = 1.4 - коефіцієнт запасу на перевантаження при зміні температури;

k _очл = 0.8 - коефіцієнт, що враховує відхилення умов охолодження від номінальних.

Розрахункове напруження обираних діодів визначається за формулою:

, (5.3)

де: U _max - амплітуда випрямленої напруги;

k _c - коефіцієнт, що враховує можливе підвищення напруги мережі;

k _3н - коефіцієнт запасу за напругою.

На основі проведених розрахунків вибираємо з [16] трифазний діодний міст фірми INTERNATIONAL RECTIFIER 26 MT 80 з наступними номінальними параметрами (табл. 5.2):

Таблиця 5.2.

З виразу теплового рівноваги слід:

, (5.4)

де: U _пр - пряме падіння напруги на діоді;

Т ₀ - температура навколишнього середовища;

Т _jmax - максимальна температура переходу;

R _thjc - тепловий опір перехід-середовище.

R _thja ≈ 3 * R _thjc = 3 * 1.42 = 4.26 ° С / Вт,

, (5.5)

.

Умова вибору діодів по струму дотримується.

5.3 Вибір конденсатора силового фільтра

Розрахунок ємності конденсаторів силового фільтру здійснюється за формулою:

, (5.6)

де: U _d - середнє значення випрямленої напруги;

Т _н - постійна часу навантаження;

R _н - активний опір навантаження;

ΔU _c - допустиме підвищення напруги на конденсатора,

ΔU _c = 0.1 * U _d = 38В,

.

Для набору зазначеної ємності буде потрібно три конденсатора К50-17 350В, 1500 мкФ .

Визначимо номінал резистора, що обмежує зарядний струм

конденсаторів:

,

де: Δt - час заряду конденсатора, приймаємо Δt = 1с.

.

Потужність резистора - 150 Вт.

Визначимо величину розрядних резисторів:

,

де: Т - постійна часу розряду, приймаємо Т = 60с.

.

Вибираємо з [17] резистори МЛТ-2 - 15кОм-10Вт ± 10%

5.4 Вибір силових транзисторів

Вибір силових транзисторів здійснюється за середнім струму навантаження і напрузі:

,

де: k _ф, k _пер, k _охол - коефіцієнти (див. формулу 5.2)

,

де: k _пер - коефіцієнт, що враховує перенапруги на транзисторах (приймаємо k _пер = 1.5);

k _c, k _3н - коефіцієнти (див. формулу 5.3).

Вибираємо з [16] силові IGBT-транзистори типу IRGPH 30 MD 2 фірми INTERNATIONAL RECTIFIER з наступними номінальними даними (табл. 5. 3):

Таблиця 5.3.

Перевіримо транзистори за розрахунковим струмом при максимальній температурі (150 ° С):

, (5.6)

де: Т _j - температура кристала;

Т _с - температура навколишнього середовища;

R _пр - опір переходу колектор-емітер у відкритому стані.

.

Визначимо втрати, які можуть розсіятися в транзисторі:

, (5.7)

з них втрати на перемикання складають:

ΔP _ком = W _пер * f _к = 2.18 * 10 ^-3 * 5 * 10 ³ = 10.9Вт,

де: W _пер - втрати енергії при перемиканні;

f _к - несуча частота.

Втрати від робочого струму навантаження:

Δ Р = Δ Р-Δ Р _ком = 53.8-10.9 = 42.9Вт.

Допустимий середній струм навантаження:

. (5.8)

Умова вибору транзисторів виконуються, тому що I _доп> I _розр.

5.5 Вибір конденсаторів вхідного фільтра

Вибір вхідного фільтра служить для придушення перешкод, створюваних при роботі перетворювача. Його передатна функція має вигляд:

,

. (5.9)

де: Т _1, Т ₂ - постійні часу;

L - індуктивність згладжує дроселя;

R - активний опір перетворювача і згладжує дроселя;

С - ємність конденсаторів фільтру.

Активний опір перетворювача визначимо за його технічними даними.

Активна потужність на виході перетворювача:

Втрати активної потужності в перетворювачі:

Вт

Знайдемо активний опір перетворювача:

Ом.

Знайдемо сумарний активний опір перетворювача і фільтру:

R = R _п + R _ін = 3.1 +0.8 = 3.9 Ом.

Ємність фільтра визначимо з умови, що електромагнітні процеси у фільтрі не будуть носити коливальний характер. Для цього необхідно, щоб коріння характеристичного рівняння

Т ₁ * р + Т ₂ * р +1 = 0

були дійсними

,

Т _2> 2 * Т _1. (5.10)

Підставимо (5.9) в (5.10) і запишемо умову вибору ємності:

. (5.11)

Підставимо в (5.11) значення параметрів і виберемо ємність конденсаторів фільтру:

.

Вибираємо два конденсатори К50-17350В, 1500 мкФ, з'єднаних послідовно.

5.6 Вибір гальмівного резистора

На гальмівному резисторі розсіюється енергія, що передається з двигуна в ланку постійного струму перетворювача частоти при гальмуванні. Він необхідний для якісного та швидкого гальмування. Для проектованого електропривода в нормальному режимі роботи час гальмування не лімітується. Однак гальмування електропривода в аварійному режиму має відбуватися як можна швидше. Тому закладемо в проектований електропривод гальмівний резистор.

Розрахунок опору гальмівного резистора будемо проводити за методикою фірми «Danfoss» [13].

Для розрахунку опору необхідно визначити пікову потужність:

Р _РІЧОК = Р _м * М _{BR (%)} * η _м * η _VLT,

де: Р _м - потужність приводного двигуна;

М _{BR (%)} - співвідношення від номінального, що обертається моменту. Приймаються М _{BR (%)} = 160%,

η _м - ККД двигуна,

η _VLT - ККД перетворювача частоти.

Р _РІЧОК = 1500 * 1.6 * 0.77 * 0.96 = 1774 Вт

Гальмівне опір розраховується за формулою:

,

де: U _DC - Напруга в проміжній ланцюга инвертор. Приймаються U _DC = 810 В

6. ПРОЕКТУВАННЯ СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО УПРАВЛІННЯ

6.1 Математичне опис об'єкта управління

6.1.1 Математичне опис асинхронного електродвигуна з рівнянь узагальненої машини

Електромеханічний перетворювач (ЕМП) в структурі електроприводу являє собою ідеалізований двигун, ротор якого не володіє механічною інерцією, не схильний до дії моменту механічних втрат і жорстко пов'язаний з реальним ротором, що входять до складу механічної частини електроприводу. Дослідження процесів у ЕМП енергії зазвичай виконують не безпосередньо на конкретній конструкції, а на еквівалентних моделях. Завдяки тому, що в основі роботи ЕМП автоматизованих електроприводів лежать одні і ті ж закони, з'являється можливість створити універсальні загальні моделі для різних типів перетворювачів. У цьому сенсі обертові перетворювачі можна розділити на дві великі групи:

1. Перетворювачі, у яких струми (або магнітні потоки) взаємно переміщаються частин створюються за допомогою джерел енергії змінного струму.

2. Перетворювачі, у яких одна частина (статор або ротор) збуджуються від джерела змінного струму, а інша - від джерела постійного струму.

Однією з найбільш поширених технічних реалізацій ЕМП першої групи є асинхронні машини. Обмеживши розгляд тільки трифазними машинами, використовуємо такі загальноприйняті допущення:

1. Параметри обмоток фаз ротора і статора відповідно однакові, а система напруг фаз симетрична;

2. Магнітопроводи ненасичений;

3. Повітряний зазор між взаємно переміщаються частинами ЕМП рівномірний;

4. МДС в повітряному зазорі синусоидальна;

5. Вплив втрат у сталі і ефекту витіснення струму й потоку на характеристики ЕМП не враховується;

6. Обидві частини ЕМП мають однотипні розподілені обмотки.

При інших виконаннях однієї з частин ЕМП (біляча клітина) її параметри можна привести до еквівалентної розподіленої обмотці. На рис. 6.1 дана первинна модель асинхронної трифазної машини, зображувана зазвичай в площині, перпендикулярної осі валу. Тут умовно зображені перетину обмоток фаз статора (присвоєно індекс 1) і ротора (присвоєно індекс 2), і осі цих обмоток, перпендикулярні їх площинах. При підключенні обмоток до джерел трифазного змінного напруги струми в обмотках будуть визначатися рівняннями рівноваги напруг:

(6.1)

де: Ψ - повне потокозчеплення обмоток відповідних фаз,

R - активний опір обмоток,

i - фазні струми обмоток,

u - фазні напруги обмоток.

ЕРС d Ψ / dt визначаються зміною короткосцепленних обмоток в часі як під дією відповідних струмів в часі, так і під дією взаємного переміщення обмоток статора і ротора.

Поведінка кожної з змінних вихідної (наближеної до реальної конструкції) моделі (рис 6.1) може бути описано як зміна в часі еквівалентних векторів змінних, спрямованих по осях фаз. Такому опису відповідає еквівалентна модель машини, де реальні обмотки замінені еквівалентними зосередженими котушками, розташованими по осях фаз (рис. 6.2) і що володіють параметрами обмоток фаз. Для кожної фази такої моделі співвідношення змінних зручно показати на векторній діаграмі, побудованій для довільно фіксованої частоти з урахуванням прийнятих раніше припущень (рис. 6.3). Крім того, при побудові векторної діаграми параметри ротора були приведені до параметрів статора, а діаграма побудована для фіксованого моменту часу, коли вектор фазної напруги збігається з віссю фази при обертанні векторів проти годинникової стрілки. Ця діаграма представляє свого роду математичну абстрактну модель, засновану на відомому в електротехніці прийомі зображення гармонійних функцій у вигляді обертових тимчасових векторів. Реальні тимчасові співвідношення між змінними фази визначаються проекціями обертових векторів на вісь фази, а тимчасові фазові зрушення між змінними відповідають кутах між векторами. Слід зазначити, що для спрощення діаграма побудована для машини, порушуємо тільки з боку статора.

Всі вектори на діаграмі відповідають реально існуючим змінним, крім намагнічує струму I _m. Цей струм визначає по модулю і фазі частина струму статора, яка проходячи через обмотку з індуктивністю, рівної взаємної індуктивності фаз статора і ротора L _m, створює в повітряному зазорі ЕМП робоче потокозчеплення Ψ _m. Повне ж потокозчеплення кожної

котушки (див рис. 6.2) визначається сумою робочого потокозчеплення та потокозчеплення розсіювання (Ψ _{1 σ} або Ψ _2σ). Оскільки потокозчеплення визначаються сукупною дією всіх струмів, то для миттєвих значень змінних фази можна записати:

;

(6.2)

.

Тут L ₁ = L _m + L _{1 σ;} L ₂ = L _m + L _{2 σ;} L _1, L ₂ - повні індуктивності статора і ротора відповідно; L _{1 σ,} L _{2 σ} - індуктивності розсіювання відповідних фаз; L _m - взаємна індуктивність фаз статора і ротора, причому L _m в трифазних машинах, завдяки взаємному впливу всіх трьох фаз, у 3 / 2 рази більше взаємної індуктивності фаз статора і ротора при їх соосно розташуванні.

Оскільки робочий потокозчеплення є загальним для обмоток, як статора, так і ротора, то на підставі (6.2), розкриваючи повні індуктивності, можна записати для кожної фази:

;

.

Так як без обліку активної складової струму холостого ходу İ ₁ + İ ₂ ≈ İ _μ, отримаємо:

; (6.3)

.

Таким чином, робоче потокозчеплення можна виразити безпосередньо через суму струмів статора і ротора:

. (6.4)

У рівняннях (6.2) - (6.4) всі змінні - функції часу, виражені через відповідні часові вектори.

Під дією робочих потокозчеплень обмоток всіх (у нашому випадку трьох) фаз машини в повітряному зазорі формується обертове магнітне поле, яке можна описати обертовим еквівалентним просторовим вектором у площині, перпендикулярної осі валу. Враховуючи, що змінні величини описуються часовими векторами, пульсуючими по осях фаз (рис. 6.2), приймемо за початок відліку часу момент проходження робочого потокозчеплення фази а через нульове значення. Тоді для миттєвих значень робочих потокозчеплень фаз можемо записати:

;

; (6.5)

.

Вважаємо машину двох полюсної, що загальноприйнято при побудові математичних моделей. У цьому випадку кутова частота мережі ω ₁ буде відповідати кутовий швидкості магнітного потоку в повітряному зазорі і, відповідно, синхронної швидкості ротора. Задавши спочатку ω ₁ t = 0 і для простоти побудов прийнявши Ψ _mmax = 1, з (6.5), отримаємо Ψ _ma = 0; Ψ _mb =- ; Ψ _mc = . Враховуючи, що робітники потокозчеплення фаз орієнтовані по осях фаз і, склавши їх геометрично, отримаємо (6.6) - результуючий просторовий вектор Ψ ₁ для моменту часу ω ₁ t = 0 (рис. 6.4). Проробивши ту ж операцію для ряду послідовних значень ω ₁ t (ω ₁ t = 60 ° і т.д.), можна показати, що результуючий просторовий вектор буде обертатися зі швидкістю ω ₁ t, а його амплітуда в рази більше модуля відповідного часового вектора фази.

Таким же чином ми можемо отримати результуючі просторові всіх електромагнітних змінних машини. Оскільки при формуванні результуючих векторів геометрично складаються відповідні часові вектори, орієнтовані в просторі по осях фаз і мають однакові фазові зрушення щодо інших тимчасових векторів власної фази, конфігурація просторової векторної діаграми машини буде такою ж, як і у тимчасової діаграми фази. На рис. 6.3 наведена просторова тимчасова діаграма асинхронної машини при її збудженні тільки з боку статора. Оскільки характеристики ЕМП визначаються зміною амплітуд і взаємної орієнтації векторів змінних, на рис. 6.5 початкова фаза векторів обрана довільно відносно координатних осей x, y, причому ці осі обертаються в просторі з кутовою швидкістю ω _1. Крім того, просторовий кут δ між результуючими векторами робочого потокозчеплення та струму ротора за аналогією з синхронними машинами будемо називати кутом навантаження. Так само прийнята система позначень координатних осей: х - поздовжня вісь, у - поперечна вісь.

Для просторової векторної моделі, так само як і для первинної моделі, можна написати рівняння рівноваги напруг:

;

(6.6)

.

Тут, як і на рис. 1.6 - Просторові вектори. Однак такі рівняння безпосередньо не можна вирішувати спільно, оскільки змінні статора записані в статорної системі координат, а змінні ротора (позначені верхнім індексом (2)) в роторної системі, тобто обертаються щодо статора з кутовою швидкістю ω. У результаті осі статора і ротора зрушені щодо один одного на змінний кут θ (t). Для того, щоб привести рівняння роторної ланцюга до нерухомих осях статора, необхідно вектор потокозчеплення ротора домножити на оператор повороту е ^{- jθ,} а потім «змусити» всі вектори рівняння ротора обертатися швидше щодо ротора, збільшивши їх швидкості на кутову швидкість ротора, тобто . помножити всі члени рівняння ротора на оператор е ^jθ. Тоді отримаємо:

,

або:

,

де всі величини записані в координатах статора.

Враховуючи, що , Систему (6.6) перепишемо в нерухомих координатах статора:

(6.7)

Оскільки коректність математичних моделей не залежить від вибору координатних осей, але вигляд координат може спростити аналіз, зазвичай, у залежності від об'єкта і завдань дослідження вибирають одну з трьох координатних систем: нерухому (6.7), синхронно що обертається в просторі зі швидкістю поля статора або обертову зі швидкістю ротора. Щоб привести рівняння (6.7) до координат, що обертається в просторі в загальному випадку з довільною швидкістю ω _ĸ, можна скористатися тим же прийомом, домножимо змінні вектори на оператор повороту , Де θ _k - кут між координатної системою і просторовими векторами. Тоді отримаємо:

;

(6.8)

,

де:

;

(6.9)

.

У рівняннях (6.6) - (6.9) індекс приналежності до координатних систем вказано, однак слід пам'ятати, що вони записані в різних координатних системах.

При аналізі зручніше використовувати не безпосередньо векторні рівняння, а рівняння у проекціях векторів на координатні осі. Позначивши ці осі х і у, запишемо систему (6.8) в проекціях на осі:

;

;

(6.10)

;

.

У цій системі рівнянь чотири невідомих струму і чотири потокозчеплення. Для вирішення системи слід електромагнітні змінні висловити або через потокозчеплення, або через струми. Висловимо потокозчеплення через струми, для чого спроектуємо вектори потокозчеплення (6.9) на координатні осі:

;

;

;

.

Враховуючи симетрію асинхронної машини по осях х, у, перепишемо (6.11) у вигляді:

;

;

(6.11)

;

.

Електромагнітний момент, що виникає при взаємодії струмів і потоків взаємно переміщаються частин ЕМП незалежно від способів їхнього порушення, визначається векторним добутком результуючого вектора робочого потокозчеплення в повітряному зазорі і результуючого вектора струму однієї з частин ЕМП, наприклад:

. (6.12)

Враховуючи, що в ЕМП електромагнітні змінні взаємозалежні, електромагнітний момент можна виразити через будь-яку пару векторів. Підставивши (6.4) в (6.12), отримаємо:

. (6.13)

Замінивши в (6.13) i _m на i ₁ + i _2, отримаємо:

. (6.14)

Проектуючи векторне рівняння (6.14) на координатні осі х, у, отримаємо для моменти:

. (6.15)

При переході до двофазної моделі згідно [18], вираз для електромагнітного моменту запишемо у вигляді:

. (6.16)

Рух механічної частини електроприводу описується рівнянням:

.

Запишемо систему рівнянь, що описують електромеханічні та механічні процеси в асинхронному двигуні:

;

;

;

;

;

(6.17)

;

;

;

;

.

6.1.2 Математичне опис асинхронного електродвигуна в сталих режимах

Для аналізу властивостей асинхронних двигунів в сталих режимах зазвичай використовують схему заміщення фази машини (рис. 6.7), відповідну векторної діаграмі, наведеній на рис. 6.3 і загальноприйняті допущення, сформульовані раніше. На рис. 6.7.а символ S позначає ковзання, а інші позначення були використані раніше. Однак ця схема незручна для аналізу при змінній частоті, оскільки всі опори, окрім активного опору обмотки фази статора R _1, є функціями частоти. Тому, ввівши поняття відносної амплітуди і відносної частоти , Виділимо змінні і параметри, перейшовши до схеми заміщення на ріс.6.7.б. Тут всі індуктивні опору відповідають номінальній частоті живильного напруги машини []. Крім того, ковзання S при змінній частоті не визначає однозначно ступеня навантаження машини, будучи ще й функцією частоти напруги на статорі. Тому його зручніше виразити через відносні частоти:

, (6.18)

де: - Абсолютна і відносна частоти струмів ротора.

Використовуючи схему заміщення, знайдемо вирази для діючих значень електромагнітних змінних. Струм фази статора:

(6.19)

Тут U _1н - номінальна фазна напруга машини; х ₁ = х _m + х _1σ - повне індуктивний опір контуру статора при розімкнутому роторі; х ₂ = х _m + х _2σ - повне індуктивний опір контуру статора при розімкнутому статорі; - Коефіцієнт розсіювання.

Крім того, потрібно мати на увазі, що роторні величини приведені до статорних, хоча індекс приведення тут і далі опущений.

Струм фази ротора:

. (6.20)

Намагнічує струм:

. (6.21)

Потокозчеплення в повітряному зазорі:

, (6.22)

де - Конструктивна постійна статора;

k _про - обмотувальний коефіцієнт;

ω ₁ - число послідовних витків однієї фази.

Рівняння електромагнітного моменту можна отримати, використовуючи вираз або для електромагнітної потужності, або векторне рівняння (6.14). Розглянемо перший шлях.

Електромагнітна потужність буде:

.

Підставляючи сюди вираження (6.18) - (6.20), знаходимо:

,

при цьому для моменту можемо записати:

. (6.23)

Рівняння (6.19) - (6.23) описують електромеханічні властивості двигуна в усталеному режимі.

3. Складання структурної схеми частотно-регульованого асинхронного двигуна

При дослідженні асинхронних машин зазвичай використовують одну з трьох координатних систем: з прив'язкою осей до елементів конструкції статора (нерухомі осі); з прив'язкою осей до елементів конструкції ротора; осі, синхронно обертаються в просторі. При цьому основним принципом вибору координатної системи є простота математичного опису електромагнітних процесів в машині.

При вирішенні завдань аналізу та синтезу частотно-регульованих електроприводів крім цього принципу при виборі системи координат необхідно враховувати ще простоту математичної моделі автоматизованого електроприводу, а це перш за все визначається вимогами до керованості, тобто до якості регулювання основних елементів - швидкості і моменту. З цих позицій координатні осі, зорієнтовані по елементах конструкції (статора або ротора), виявляються незручними, оскільки в сталих режимах електромагнітні змінні двигуна будуть мати частоти, відмінні від нуля, а дослідження системи доведеться виконувати на несучій частоті. З цих позицій для частотно-регульованих електроприводів будь-якого типу найбільш зручними є координатні осі, синхронно обертаються в просторі. У цьому випадку в сталих режимах просторові вектора електромагнітних змінних виявляються нерухомими відносно осей, а їх проекції на осі - скалярними величинами, що дозволяє при аналізі та синтезі використовувати методи і апаратурні засоби, добре розроблені для електроприводів з двигунами постійного струму.

Більш того, в синхронних осях з'являється додаткова можливість спрощення математичних моделей як двигуна, так і електроприводу в цілому за рахунок прив'язки координатних осей до одного з просторових векторів електромагнітних змінних. Залежно від обраного для орієнтації координатних осей опорного вектора можна побудувати одну з семи структурних схем асинхронної машини - в координатах u _1, i _1, i _2, Ψ _1, Ψ _2, Ψ _m або e _r і відповідні їм структурні схеми частотно-регульованих електроприводів. Якщо розглядати структурні схеми тільки асинхронних двигунів з точки зору їх простоти і можливостей організації управління, кращими є структури з орієнтацією по Ψ _1, Ψ _2. Структури з орієнтацією по струмам i _1, i ₂ мають найменше число перехресних зв'язків, проте формування сигналів по ω ₁ тут найбільш складно. Структура з орентаціей по u ₁ містить більше число перехресних зв'язків та блоків множення, але формування вхідних впливів тут простіше, ніж в інших структурах. У той же час при виборі координатної системи для частотно-регульованих приводів з короткозамкненими асинхронними двигунами слід враховувати, що струм ротора в таких системах виміряти неможливо, а тому однією з доцільних тут можуть бути структури в координатах u _1, Ψ ₂ або i _2.

Крім того, при виборі координатної системи не слід забувати й про фізичну реалізації самої системи. А з цих позицій, які б координатні системи не використовувалися при побудові структурної схеми електропривода, аснхронний двигун управляється амплітудою, фазою і частотою реальних фазних напругою; тому чим більше перетворень зазнають ці змінні при переході до еквівалентної моделі, тим більше координатних і функціональних перетворень необхідно виконати в каналах формування реальних сигналів управління, і ці ускладнення повинні бути технічно виправдані. Отже, якщо мати на увазі електропривод з асинхронним короткозамкненим двигуном, то остаточний вибір однієї з координатних систем (u _1, Ψ _2, i ₂₎ повинен визначатися вимогами до якості регулювання в статичних і динамічних режимах.

Як відомо, електромагнітні перехідні процеси в асинхронному двигуні носять коливальний характер, причому коливання вільної складової електромагнітного моменту визначаються насамперед коливаннями фазових зрушень струмів. Тому в швидкодіючих електроприводах, де хитання електромагнітного моменту жорстко нормовано, необхідно організувати керування не тільки по амплітуді напруг (струмів), але і по фазі струму. У цьому випадку в системах з управлінням по напрузі для частотно-регульованих електроприводів з асинхронними короткозамкненими двигунами доцільні структури з орієнтацією по Ψ _1. Якщо вимоги до швидкодії дозволяють зменшити амплітуду коливань моменту за рахунок зниження форсировки, то можна скористатися координатами, орієнтованими по u _1, і перейти на управління тільки за рівнями напруг, струмів та потокозчеплення. У цьому випадку більш складна структурна схема двигуна виправдовується істотним спрощенням інформаційної частини системи.

На підставі вище викладених міркувань вибираємо систему координат, що обертаються в просторі з кутовою швидкістю вектора струму статора (х, у) і вісь х з віссю вектора напруги . Тоді для опису електромагнітних процесів скористаємося системою рівнянь (6.17), врахувавши при цьому: ω ₂ = ω _{1-p п} * ω, u _{1 x} = U _{1 m,} u _{1 y} = 0:

;

;

;

;

;

(6.25)

;

;

.

Перетворимо систему (6.25) по Лапласа і отримаємо:

;

;

;

;

;

(6.26)

;

;

.

Перетворимо систему (6.26) до вигляду:

;

;

(6.27)

;

.

Висловимо з (6.27) струми:

;

;

;

.

Розділимо чисельник і знаменник перших двох рівнянь на R _1, а других двох - на R _2, і введемо позначення постійних часу:

.

;

;

(6.28)

;

.

Доповнимо систему (6.28) рівнянням електромагнітного моменту (6.16) і висловимо швидкість з рівняння руху, перетворюючи, перетворюючи їх у операторну форму:

;

;

(6.29)

;

;

;

.

За системою рівнянь складемо структурну схему асинхронного електродвигуна і механічної частини електроприводу (графічна частина: лист 4).

6.2 Розрахунок основних параметрів для функціональної схеми САУ

6.2.1 Визначення втрат потужності в електродвигуні

Енергетична діаграма електродвигуна представлена ​​на рис. 6.8.

Розрахунок втрат потужності будемо вести для номінального режиму роботи електродвигуна.

Споживана електрична потужність:

.

Додаткові втрати потужності:

.

Механічні втрати потужності:

.

Механічна потужність:

.

Електромагнітна потужність:

.

Втрати в міді ротора:

.

Втрати в міді статора:

.

Втрати потужності в сталі ротора для номінального режиму можна знехтувати, тому що частота струму ротора для номінального режиму становить f _н = f _1н * S _н = 50 * 0.067 = 3.4 Гц, тому втрати в сталі ротора пренебрежимо малі.

Втрати потужності в сталі статора:

.

6.2.2 Розрахунок параметрів схеми заміщення

Розрахунок параметрів схеми заміщення будемо виконувати згідно з методикою, викладеною в [18]. Розрахунок проводиться на підставі системи рівнянь електромеханічного перетворювача в системі координат α, β, жорстко пов'язаних зі статором. При розрахунку скористаємося схемою заміщення фази асинхронного двигуна (рис. 6.7.а).

Абсолютна ковзання:

,

де: ω _1н - номінальна кутова швидкість обертання вектора струму статора,

ω _н - номінальна кутова швидкість обертання ротора,

p _п - кількість пар полюсів.

Електромагнітний момент однієї пари полюсів:

.

Амплітуда векторів струму і напруги:

А,

А.

Номінальний sin φ:

.

Проекція вектора потокозчеплення статора на осі α і β:

,

.

Амплітуда вектора потокозчеплення статора:

.

Визначимо коефіцієнти:

,

,

,

,

,

,

,

,

,

.

Розрахуємо параметри схеми заміщення АД. Індуктивність обмотки статора:

.

Взаімоіндуктівность між обмотками статора і ротора:

.

Індуктивність обмотки ротора:

.

Активний опір обмотки ротора:

.

Індуктивність розсіювання обмотки статора:

.

Індуктивність розсіювання обмотки ротора:

.

6.3 Синтез регулятора моменту

За способом регулювання максимального моменту електроприводи з асинхронними короткозамкненими двигунами можна розділити на дві групи:

1. з незалежним регулюванням частоти;

2. з залежним регулюванням частоти.

При незалежному регулювання частоти основними змінними є амплітуда ( ) Та частота ( ) Подається на статор напруги (системи скалярного керування), а при залежному - і - Частота струму ротора (системи векторного керування). У електроприводах з незалежним керуванням частотою регулювання максимального моменту зазвичай здійснюється за рахунок зміни амплітуди напруги при заданій частоті, причому частота, як правило, приймаються за незалежну змінну. Регулювання, як правило, здійснюється у функції однієї або кількох змінних, а граничні реалізації керуючих впливів називають законами частотного регулювання.

У реальних установках організувати управління по тому, чи іншому закону чисто програмним способом неможливо, а тому питання вибору закону частотного регулювання необхідно вирішувати не тільки з позицій досяжного результату, але перш за все з позиції його регульованості, яка, як правило, визначається можливостями програмного забезпечення. Безпосередньо виміряти в асинхронної машині з короткозамкненим ротором можна напруга і струм статора та швидкість ротора. При частковій розбиранні машини можна помістити на статор датчик ЕРС. Безпосереднє ж вимір моменту на валу двигуна зазвичай не використовується з = за труднощів з розміщенням датчиків і зніманням сигналів. Формування сигналів зворотного зв'язку по ЕДС за допомогою датчиків струму та напруги дає задовільну точність при напрузі і струмі, близьких до синусоїдальним. В іншому випадку векторне порівняння сигналів з ​​різних гармонійним складом, мінливим і від керуючого впливу і від навантаження, може призвести до неприпустимих погрішностей.

Найбільш просто в частотно-регуліремом електроприводі організувати вимірювання напруги і струму статора. Але оскільки напруга є регульованою змінної, то використання таких сигналів компенсує падіння напруги в вентильному перетворювачі лінеалізует його регулювальну характеристику, але не визначає закону регулювання.

На підставі вищесказаного для проектованого електроприводу вибираємо систему стабілізації моменту з позитивним зворотним зв'язком по струму [18].

Функціональна схема стабілізації максимального моменту наведена на рис. 6.9.а, де: У - підсилювач, ПЧ - перетворювач частоти, ДТ - датчик струму, а двигун показаний складається з двох частин М1 і М2. Оскільки нас цікавить регулювання струму статора і моменту при заданих u _f і f _1, то вихід за швидкістю не показаний.

Структурна схема контуру струму в статистичних режимах наведена на рис. 6.9.б, де: - Коефіцієнт передачі перетворювача, по напрузі:

;

- Коефіцієнт передачі двигуна по струму;

- Коефіцієнт передачі датчика струму,

;

k _у - коефіцієнт підсилення регулятора моменту.

На підставі структурної схеми для струму статора можна записати:

. (6.30)

Із загального рівняння електромеханічної характеристики (6.19) знайдемо:

. (6.31)

Підставивши (6.31) в (6.30), отримаємо рівняння електромеханічної характеристики з позитивним зворотним зв'язком в каналі регулювання амплітуди напруг:

. (6.32)

Підставивши (6.32) в (6.20), запишемо рівняння механічної характеристики досліджуваної системи:

. (6.33)

Рівняння (6.32), (6.33) незручні для розрахунків, оскільки містять дві незалежні вхідні змінні u ₃ та . У той же час система управління частотно-регульованим приводом будується таким чином, що без зворотного зв'язку забезпечується пропорційний закон регулювання , А зворотний зв'язок коригує закон зміни напруги відносно частоти. У цьому випадку:

, (6.35)

де: u _3н - номінальний сигнал завдання.

З урахуванням (6.35) перепишемо (6.32) і (6.33):

, (6.36)

. (6.37)

Аналітичне визначення коефіцієнта посилення вельми складно, що зумовлено складністю функції в знаменнику (6.37), а також тим, що на вході системи порівнюється сигнал управління швидкістю з сигналом управління по струму статора, в загальному випадку не залежить від швидкості, що вимагає функціональної залежності k _y (u _3).

Однак розрахунки можна спростити без істотного зниження якості синтезуючої системи, виходячи з таких міркувань:

1. У реальних системах немає необхідності точно дотримуватися умова М _к = М _дод, а досить забезпечити М _к> М _тр у всьому діапазоні регулювання , Де М _доп і М _тр - максимальний допустимий момент двигуна і необхідний за умовою перегружаемості момент. М _доп обмежується насиченням муздрамтеатру машини.

2. При цьому, навіть якщо на окремих рівнях будемо мати М _к> М _дод, то перевантаження в автоматизованому електроприводі зазвичай знімають затриманими зворотними зв'язками та іншими засобами зовнішньої інформаційної системи.

3. Завдяки поєднанню властивості асинхронного двигуна втрачати перегружаемость при зниженні і властивості позитивного зворотного зв'язку по струму збільшувати форсировку при зниженні u ₃ з'являється можливість відшукати такі оптимальні значення k _y = const, при яких забезпечується умова М _к> М _тр у всьому діапазоні . Це підтверджують і функції в знаменнику (6.36) і (6.37), граничні значення яких будуть

і .

З урахуванням сказаного визначення шуканих параметрів будемо виконувати за наступною схемою:

1. Виходячи з умов і , Будуємо механічні характеристики для , Які в подальшому будемо називати природними характеристиками частотно-регульованого електроприводу. Для побудови використовуємо (6.23) з підстановкою , , , Попередньо знайшовши значення членів формули:

;

;

;

;

;

. (6.38)

Результати розрахунку представлені у вигляді графіка на ріс.6.10.

2. Для цих же частот побудуємо граничні за умовами насичення механічні характеристики з потокозчеплення Ψ _m = const, обраним за граничний. Ці характеристики побудуємо за формулою з [18] за умови I _μ = I _{μ н} = const:

, (6.39)

де номінальний струм, що намагнічує визначений за (6.21):

Результати розрахунку представлені у вигляді графіка (ріс.6.10).

3. На характеристиках, відповідних , Проводимо горизонталь ab (рис. 6.1 0), відповідну

.

Точкам будь-яких характеристик з f _1min = const, що лежать на лінії ab, буде відповідати умова .

4. На лінії ab задаємо M _тр = M _c <M _перед = M _н, тобто Момент, що забезпечує стійку роботу електроприводу на нижній швидкості. По рівнянню для механічної характеристиці при Ψ _m = const [18]:

. (6.40)

Знайдемо I _перед, відповідне M _перед при на лінії ab і обраному I _μ:

.

Враховуючи, що при і

, (6.41)

знайдемо струм статора в розрахунковій точці:

.

Підставивши знайдений струм в (6.36), знайдемо шуканий коефіцієнт посилення k _y:

6.4 Побудова статичних характеристик електроприводу

По рівнянню (6.19) побудуємо природну електромеханічну характеристику електроприводу:

. (6.42)

Результати розрахунку представлені у вигляді графіка (ріс.6.11).

Природна механічна характеристика була побудована в пункті 6.3.

Для побудови штучних статичних характеристик на підставі структурної схеми запишемо вираз для напруги:

. (6.43)

Підставимо в (6.43) вираз для струму (6.19):

. (6.44)

З рівняння (6.44) виразимо U ₁ і запишемо вираз:

. (6.45)

При побудові штучних статичних характеристик слід врахувати обмеження підводиться до електродвигуна напруги. Напруга U ₁ будемо обмежувати на рівні U _{1 max} = 1.1 U _1н.

Складемо систему рівнянь для побудови штучних механічних і електромеханічних характеристик електроприводу:

;

(6.46)

;

;

.

Побудуємо по системі (6.46) статичні характеристики для двох швидкостей і . Результати розрахунку представлені у вигляді графіків (рис. 6.11, 6.12).

6.5 Перевірка електродвигуна по нагріванню при роботі на нижній швидкості

Відомо, що у саме вентильованих двигунів погіршуються умови охолодження при зниженні частоти обертання. Тому необхідно перевірити, чи дотримуються умови по нагріванню при роботі на нижній швидкості діапазону регулювання. Розрахунок допустимого моменту за умовами нагріву будемо

проводити за методикою, викладеною в [8].

Відомо, що лімітуючою по нагріванню частиною асинхронного короткозамкнутого двигуна в сталому режимі є ізоляція обмотки статора. Середнє усталене перевищення температури обмотки статора може бути визначено за методом еквівалентних втрат, згідно з яким рівняння теплового балансу записується таким чином:

, (6.47)

де: τ _∞ - усталене перевищення температури статора;

- Тепловіддача, що залежить від кутової швидкості;

- Коефіцієнти зовнішнього підігріву, що враховують частку зовнішніх втрат, що беруть участь в нагріванні обмотки статора, в загальному випадку залежать від швидкості.

, (6.48)

, (6.49)

,

.

Розпишемо вирази для ΔP _M1, ΔP _M2, ΔP _cm:

(6.50)

; (6.51)

, (6.52)

де: ΔP _сmвн - номінальні втрати в сталі на вихрові струми;

φ - відносне значення потоку;

ΔP _сmгн - номінальні втрати в сталі на гістерезис.

Перепишемо (6.42) у вигляді:

. (6.53)

Для номінального режиму рівняння (6.53) прийме вигляд:

,

або

, (6.54)

де: h _τ - частка еквівалентних гріючих втрат при номінальному режимі.

Поділивши почленно (6.53) на (6.54), отримаємо рівняння теплового балансу при частотному управлінні у відносних одиницях:

(6.55)

Приймемо допущення [8]:

, (6.56)

де: μ - відносне значення моменту.

Підставимо (6.56) в (6.55) і висловимо μ:

. (6.57)

Визначимо значення постійних коефіцієнтів:

;

;

;

;

;

.

Приймемо з [8] , Тоді:

,

.

Висловимо з (6.21) формулу для визначення відносного струму намагнічування i _m:

. (6.58)

Оскільки електропривод працює в сталому режимі з навантаженнями менше номінальної, то приймемо φ = i _m.

Запишемо вираз для - Коефіцієнт зміни тепловіддачі:

,

де: λ ₀ - коефіцієнт тепловіддачі для нерухомого двигуна. Приймемо λ ₀ = 0.4 з [8]. Запишемо систему рівнянь для визначення μ:

(6.59)

;

;

;

За системою рівнянь (8.37) побудуємо залежність допустимого за

нагріванню моменту від частоти живлячої напруги, прийнявши . Результати розрахунку представлені у вигляді графіка на рис. 6. 13. Визначимо, який допустимий момент можна мати з АТ на нижній швидкості діапазону регулювання. . З рис. 6.13 видно, що μ ( ) ≈ 0.7.

.

Отже, даний двигун задовольняє умовам нагріву, т. к. М _доп> М _сm = 5.1H · м

7. АНАЛІЗ ДИНАМІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕХНОЛОГІЧНОЇ УСТАНОВКИ

7.1 Моделювання динаміки технологічної установки

Спрощена структурна схема електроприводу представлена ​​на рис. 7.1. Повна структурна схема представлена ​​в графічній частині (лист 4). Схема управління електроприводом забезпечує автоматичне регулювання швидкості обертання електродвигуна і корекцію швидкості обертання по температурі в другій зоні пекарної камери. Сигнал завдання температури і завдання швидкості задаються задатчика температури (ЗТМ) і швидкості (ЗС). Датчик температури (ДТМ) вимірює температуру (Тм) у другій зоні пекарної камери і перетворює її в у сигнал зворотного зв'язку по температурі з коефіцієнтом k _відм. Регулятор температури (РТМ) формує закон корекції по різниці сигналів завдання і зворотного зв'язку. Пристрій обмеження У01 обмежує сигнал з виходу регулятора температури на заданому рівні. На вхід задатчика інтенсивності надходить сума сигналів завдання швидкості U _ЗС та корекції температури U _КТМ. Задатчик інтенсивності формує сигнал завдання швидкості , Контролюючи інтенсивність його наростання Застосування ЗИ необхідно для забезпечення плавного пуску електроприводу з контрольованим прискоренням. Система управління перетворювача частоти формує сигнали завдання амплітуди напруги U _{з U} і кутовий швидкості U ω. Пристрій обмеження У01 обмежує сигнал з виходу регулятора струму (РТ) на рівні допустимого. Сигнал необхідно обмежувати через умови обмеження електродвигуна по напрузі. Силова схема перетворювача частоти (УН, УЧ) представлена ​​безінерційні ланками (k _U, k _ω), тому що система управління реалізується на мікропроцесорному контролері з високим швидкодією, а силові ключі коммутіруют з високою частотою (5 кГц). Структурна схема асинхронного електродвигуна (графічна частина: лист 4) описується системою диференціальних рівнянь у операторної формі (6.29). Зробимо розрахунок постійних часу електродвигуна за рівняннями (6.28):

,

,

,

.

Коливання температури в зонах пекарної камери виникає при початковому завантаженні печі, коли відбувається інтенсивне поглинання тепла тестовими заготовками. Оскільки процеси теплообміну високоінерційного, то швидко компенсувати зміну температури неможливо через обмежену величини напруги, що прикладається до електронагрівача. Але з іншого боку, для створення оптимального режиму випічки компенсування зміни температури можна зробити зміною тривалості часу випічки, тому що цей контур регулювання володіє високою швидкодією. Також обурюють впливом для температури в пекарній камері є зміна складу тестових заготівель.

Припустимо, що коливання температури носять періодичний характер. Тоді ці коливання можна розкласти в ряд Фур'є і виділити постійну складову. Коефіцієнт зворотного зв'язку по температурі k _відм слід підбирати таким чином, щоб сигнал завдання температури дорівнював сигналу, пропорційного постійної складової температури. Тоді сигнал неузгодженості буде пропорційний зміни гармонійних складових температури.

Коефіцієнт підсилення регулятора температури налаштовується так, що при зміні температури на 10 ˚ швидкість обертання змінювалася на 10% номінальної швидкості електродвигуна (14.6 з ^-1), що відповідає напрузі завдання швидкості ≈ 1В.

Припустимо, випікається хліб «Злаковий». Температура у другій зоні пекарної камери (табл. 1.2) змінюється в межах 260 ... 280 ˚ С. Усереднивши значення зміни температури (270 ˚ С) і будемо вважати, що ця температура відповідає постійної складової. Амплітуду першої гармоніки приймемо 10 ˚ С. Тоді при сигналі завдання температури 10В (відповідає 270 ˚ С) коефіцієнт зворотного зв'язку по температурі буде:

.

Сигнал неузгодженості між завданням і зворотним зв'язком

.

Тоді коефіцієнт посилення РТМ:

.

Оскільки при збільшенні температури швидкість обертання двигуна повинна збільшуватися, а при зменшенні - зменшуватися, то вихід РТ повинен бути інверсним. Приймаються k _Т =- 2.7.

Моделювання перехідних процесів в електроприводі будемо проводити за допомогою математичного програмного пакета MATLAB і його застосування SIMULINK, що дозволяє реалізувати структурну схему. Моделювання будемо виробляти для трьох режимів:

1. Розгін до максимальної швидкості, робота на максимальній швидкості і гальмування до нуля.

2. Розгін до мінімальної швидкості, робота на мінімальній швидкості та гальмування до нуля.

3. Розгін до максимальної швидкості і корекція швидкості по температурі.

При розгляді перших двох режимів необхідно виявити особливості частотного регулювання, способу управління та особливості системи стабілізації моменту зі зворотним зв'язком по струму статора. Тому вихід регулятора температури для цих режимів обнулений, тобто корекція не діє.

При розгляді третього режиму необхідно переконатися в працездатності пристрою корекції температури.

Розглянемо перший режим роботи. Результати моделювання представлені у вигляді графіків (рис. 7.2-7.17). Як видно з малюнка 7.5, в початковий проміжок часу швидкість не змінюється і дорівнює нулю. Зазвичай такий проміжок часу називають запізнювання. Такий вигляд кривої швидкості пояснюється кількома причинами:

1. Навантаження електроприводу реактивна і носить знакозмінний характер, що погіршує умови пуску.

2. Наявність моменту рушання.

3. Неякісна крива обертового моменту (рис. 7.4). Наявність коливальності і повільності наростання моменту.

Неякісність кривої моменту можна пояснити наступними причинами. Елекромагнітний момент є функцією струму ротора, магнітного потоку і ковзання:

М = Ф * I ₂ * cos φ _2.

Оскільки всі струми і потоки асинхронного електродвигуна взаємопов'язані, то зміна одних приводить до зміни інших, і навпаки. У початковий момент часу магнітний потік прагнути досягти свого номінального значення. Через взаємозв'язку потоку з струмами статора і ротора це процес носить коливальний характер, що в свою чергу викликає коливання струмів статора і ротора (рис. 7.6), що в кінцевому підсумку викликає коливання моменту. Якщо якимись або причинами вдалося б створити початковий магнітний потік на рівні номінального, то крива моменту при пуску мала б прямокутний вигляд. Це припущення побічно підтверджується на рис. 7.4, де динамічний момент при гальмуванні постійний. Таким чином, напрошується висновок: щоб отримати хороші перехідні процеси (прямокутний вигляд динамічного моменту, лінійну швидкість і так далі), необхідно регулювати магнітний потік і струм статора незалежно один від одного.

Розглянемо другий режим. З ріс.7.19 - 7.24 видно, що перехідні процеси в електроприводі схожі для двох режимів. Різниця полягає в тому, що в другому випадку збільшилася коливальність. На мій погляд, це пояснюється тим, що збільшилася співвідношення U / f, тому що на верхній швидкості вихід регулятора моменту був обмежений граничним значенням.

Аналізуючи роботу електроприводу в перших двох режимах, можна зробити висновки:

1. Прискорення при пуску не виходить за межі допустимого значення [а _доп] = 0.4м / с ^2.

2. Електропривод працює стійко у всьому діапазоні регулювання.

3. Пусковий момент не перевищує 180% від номінального, що відповідає режиму роботи ПЧ VLT 5000.

4. Гальмівний момент не перевищує 160% від номінального, що відповідає потужності гальмівного резистора.

Розглядаючи третій режим роботи (рис. 7.25 -7.26), можна зробити висновок що швидкість руху конвеєра змінюється по коригувальних сигналу майже миттєво. Можна сказати, що запізніле відсутня.

7.2 Визначення показників перехідних процесів

До основних показників відносяться час регулювання, коливальність, перерегулювання.

Показники якості перехідних процесів визначимо для режимів роботи 1 і 2 для кривої швидкості.

Для режиму роботи 1 (рис 7.5):

Час регулювання: t _р = 1 с.

Перерегулювання і коливальність відсутні.

Визначимо показники якості перехідних процесів для режиму роботи 2 (рис. 7.19):

Час регулювання: t _р = 0.55 с.

Перерегулювання:

.

Коливальність: δ = 4.

Таким чином, можна зробити висновок, що система електропривода має прийнятні показники якості перехідних процесів.

8. ВИБІР І ПРОЕКТУВАННЯ СИСТЕМИ АВТОМАТИЗАЦІЇ ВИРОБНИЧОЇ УСТАНОВКИ

8.1 Формалізація умов роботи установки

При автоматизації печей об'єктом управління є власна пекарня камера, в якій відбуваються перетворення заготовок тесту в готовий виріб. Завдання автоматичного управління пекарної камерою полягає в тому, щоб, враховуючи властивості вихідного продукту-тесту та особливості механізму процесу випічки, встановлювати такі параметри середовища і умови тепло-і вологообміну в пекарній камері, за яких процес випічки буде протікати найбільш економічно, а готовий продукт буде мати високу якість і відповідати вимогам ГОСТу [19].

Відповідно до теорії тепло-і масообміну, головним чинником, що визначає процес випічки, є процес перенесення теплоти і вологи в тестовій заготівлі, який, як вказує А. С. Гінзбург, відбувається у два періоди.

У перший період випічки волога в основному у вигляді рідини, переміщується від поверхневих шарів до центральних. У цей період за рахунок переміщення вологи всередину утворюється кірка вироби. Поряд з цим в першому періоді протікають фізико-хімічні процеси, в ​​результаті яких волога в тесті-м'якушці зв'язується клейстерізующімся крохмалем.

У другому періоді випічки відбувається подальше формування кірки випікається вироби за рахунок інтенсивного випаровування вологи при поглибленні поверхні випаровування. У цей період вологість м'якушки вироби майже не змінюється, а випаровування відбувається головним чином на поверхні випаровування, що є кордоном кірки і м'якушки.

Відповідно до уявлень про різних періодах випічки в пекарної камері розрізняють такі зони зволоження: першого періоду випічки, другого періоду випічки.

У зоні зволоження повинні бути створені умови для забезпечення інтенсивного вологообміну між навколишнім середовищем н поверхнею виробу, в результаті якого відбувається поглинання пара масою тесту і конденсація його на поверхні тістової заготовки. Тому основною умовою, яка має бути створено в зоні зволоження, є висока насичення середовища парою при мінімальної вентиляції камери і зниженої інтенсивності теплообміну, щоб досягти тут відносної вологості близько 70-80%. Чим нижче інтенсивність теплообміну в зоні зволоження, тим повільніше температура поверхні виробу досягає значення точки роси і тим довший період конденсації. Це дозволяє знизити насичення середовища парою при збереженні хорошої якості виробів.

Після зони зволоження інтенсивність теплообміну в пекарній камері різко підвищується з метою передачі виробу необхідної кількості теплоти. На зволоженій поверхні виробу відбувається клейстеризації крохмалю при надлишку вологи, в результаті чого утворюється шар крохмального клейстеру, що закриває пори і подготавливающий поверхню виробу для подальшої теплової обробки. Підвищення температури цього шару забезпечує оформлення кірки, що є одним з основних якісних вимог, що визначають зовнішній вигляд виробу.

У перший період випічки важливо передати виробу більшу кількість теплоти також і для утворення необхідної структури виробу. У цей період відбувається значний підйом вироби, обумовлений розширенням нагріваються газів в масі тіста і залежить від інтенсивності прогрівання вироби. При інтенсивному прогріванні поверхневих шарів у випікає вироби створюється значний температурний градієнт, що обумовлює відповідне підвищення ефекту термовлагопроводності і збільшення кількості вологи, що переміщається всередину виробу, завдяки чому зменшується запроторив.

У другій період випічки відбувається інтенсивне поглиблення зони випаровування і подальше утворення кірки за рахунок вологовіддачі в навколишнє середовище. При поглиблення зони випаровування прогрів внутрішньої частини виробу обумовлюється температуропровідність м'якуша і температурним градієнтом, величина якого визначається постійною температурою поверхні випаровування і зниженням температурного поля у напрямку до центру. У цей період інтенсивність теплообміну різко знижується, так як менш інтенсивний теплообмін мало впливає на прогрівання вироби, але зате знижує втрати теплоти від упека, які досягають загальних витрат теплоти на випічку. Зниження інтенсивності теплообміну в другий період випічки досягається зведенням до мінімуму випромінювання на відкриту поверхню виробу або повним його виключенням з одночасним зменшенням температури середовища пекарної камери.

Таким чином, якість випікається продукції і витрата тепла на випічку визначається часом її перебування в кожній зоні і режимними параметрами всередині пекарної камери.

Розглянемо порядок включення і виключення всіх механізмів печі. Після підключення механізмів до електричного живлення необхідно виставити необхідну завдання температур по зонах пекарної камери і включити електронагрівачі. При досягненні температур в зонах пекарної камери до заданих слід включити конвеєр пода печі і встановити необхідний час випічки, забезпечити подачу пари в зону парозволоження. Температури в зонах пекарної камери і тривалість випічки виставляється відповідно до технологічних вимог на виріб. Після цих процедур можна завантажувати конвеєр тестовими заготовками, для транспортування їх у пекарню камеру. Видалення паро-повітряної середовища з пекарної камери може здійснюватися примусово за допомогою вентилятора або за рахунок природної тяги. При виході з пекарної камери перший випечених виробів необхідно включити механізм обприскування

готової продукції та механізм очищення стрічки. Після останніх

дій всі механізми печі включені і в такому стані піч працює тривалий час (кілька годин, зміна і т.д.).

Відключення механізмів печі здійснюється в такій послідовності. Спочатку відключаються електронагрівачі, а при зниженні температури слід відключити всі залишилися механізми печі.

При роботі установки можуть виникнути аварійні режими: несправність приводу конвеєра, несправність електронагрівачів. Такі аварійні режими можуть виникати при механічних пошкодженнях кінематичного ланцюга і при спрацьовуванні захистів. При несправності приводу конвеєра необхідно відразу ж відключити електронагрівачі, щоб уникнути згоряння випікається продукції, а також відключити всі механізми печі. При несправності електронагрівачів необхідно відразу ж припинити завантаження тестових заготівель. При виникненні будь-якої іншої несправності потрібно вимкнути піч, усунути несправність і включити піч за алгоритмом, описаним вище.

8.2 Розробка алгоритму управління

Складемо алгоритм управління хлібопекарської піччю (рис. 8.1).

У блоках 1, 2, 3 виробляється подача напруги на пуско-регулюючу апаратуру механізмів печі і електронагрівачі (F 1 = 1, F 2 = 1, F 3 = 1, F 4 = 1, F 5 = 1), завдання температурного режиму за зонам печі (Т = Т ₁₎ і включення електронагрівачів (SB 21 = 1).

У блоці 5 відбувається витримка часу нагрівання печі до заданої температури Т _1.

У блоках 6, 7 відбувається включення приводу конвеєра (SB 17 = 1), заданого часу випічки (t = t ₁₎ і включення вентилятора (SB 18 = 1).

У блоці 8 відбувається витримка часу до появи перших виробів, що випікаються (І = 1).

У блоках 9 відбувається включення механізму обприскування готової продукції (SB 19 = 1) та механізму очищення стрічки (SB 20 = 1).

У блоці 10 відбувається випічка хлібобулочних виробів до кінця робочого дня (зміни і т.д.).

Блоки 10, 12, 13, 14 описують відключення механізмів печі: очищення стрічки ( ), Обприскування готової продукції ( ), Вентилятора ( ), Конвеєра ( ) Та електронагрівачів ( ).

8.3 Розробка функціональної та логічної схеми

8.3.1 Розробка функціональної схеми

Функціональна схема автоматизації хлібопекарської печі А2 - ХПА - 25 представлена ​​в графічній частині проекту (лист 7). На схемі прийняті позначення технологічного обладнання:

1 - стрічковий конвеєр;

2 - щітка очищення стрічки;

3, 4, 5, 6 - електронагрівачі температурних зон печі;

7 - вентилятор;

8 - механізм обприскування готової продукції.

Схемою передбачено чотири контури контролю та регулювання температури по зонах пекарної камери, а також корекція часу випічки по температурі в другій зоні. Стабілізація тиску пари, що подається в зону зволоження, здійснюється регулятором прямої дії. В якості вимірювальних приладів температури застосовані термометри опору (ТІ). Пристроєм, що формує закони регулювання температури, є програмований контролер (ПК). У ПК зводяться сигнали завдання температури (ТН) і сигнали зворотних зв'язків (ТІ). Виходи регуляторів температури підключені до керуючих тиристорних регуляторів напруги (NC), які змінюють вихідна напруга в межах 0 ... 380В. При зміні напруги, що прикладається до електронагрівача, змінюється кількість тепла, що виділяється і отже температури в пекарній камері.

Контур регулювання температури в нульовий зоні пекарної камери побудований таким чином: термометр опору (1-1), температурний модуль ПК (1-2), модуль ПІД регулювання ПК (1-4), регулятор напруги (1-5) і електронагрівачів 0 - ої зони (3).

Завдання температури відбувається з потенціометра (1-6), розташованого на пульті управління. Контроль температури здійснюється за допомогою аналого-цифрового перетворювача (1-3), розташованого на пульті управління і сполученими з аналоговим вихідним модулем ПК. Температурний модуль ПК (1-2) виробляє перетворення значення опору терморезистора в уніфікований сигнал 0 ... 10 В, прропорціональний температурі.

Аналогічним чином збудовані контуру регулювання температури 1-ої, 2-ий і третій температурних зон пекарної камери.

Як говорилося вище, в схемі автоматизації передбачена корекція швидкості руху конвеєра печі по температурі в другій зоні пекарної камери.

Подолжітельность випічки задається з потенціометра (3-9), розташованого на пульті управління. Закон корекції реалізується на ПК за допомогою стандартного ПІД регулятора (3-7), що реалізує пропорційний закон регулювання (стала часу диференціювання прийнята рівною нулю, а постійна часу інтеграції - нескінченності). На суммирующий вхід перетворювача частоти (3-8) заведені сигнал завдання тривалості випічки і сигнал з виходу регулятора температури (3-7). Таким чином, швидкість руху конвеєра пропорційна сигналу завдання і температурі в 2-ій зоні пекарної камери.

Заданий алгоритм включення і виключення електроприймачів здійснює логічна схема NY, реалізована за допомогою програмованого контролера. Схема також забезпечує сигналізацію про включення (виключенні) електроприймачів (НА), аварійну звукову сигналізацію (А) і місцеве освітлення в пекарній камері. Сигнали про вмикання (виключенні) електроприймачів надходять на входи ПК з кнопок управління (НА), розташованих на пульті управління. Ці сигнали обробляються за програмою, закладеною в ПК, і перетворюються у вихідні сигнали, що надходять на магнітні пускачі (NS), регулятори напруги (NC) і перетворювач частоти (NC). Логічна схема пристрою керування буде складена пізніше.

8.3.2 Розробка логічної схеми

Логічна схема автоматизації повинна забезпечить заданий алгоритм включення і виключення електроприймачів. Логічна схема має вхідні, вихідні та проміжні сигнали., Що надходять з пульта управління, а також кнопок управління, розташованих на початку та в кінці пекарної камери.

Т. до вхідні сигнали надходять від кнопок, то назвемо ці сигнали також, як і відповідні кнопки.

До вхідних сигналів ставляться:

SB 16 - «ПУСК». При надходженні цього сигналу повинна збиратися схема управління;

- «СТОП». При надходженні цього сигналу в логічну схему повинні відключитися електронагрівачі і всі механізми печі;

- «КОНВЕЄР ВИКЛ.». При надходженні цих сигналів у схему управління відключається привід конвеєра;

SB 17 - «КОНВЕЄР ВКЛ». Сигнал включає привід конвеєра;

SB 18 - «ВЕНТИЛЯТОР ВКЛ.». При надходженні сигналу в схему управління включається вентилятор відсмоктування паро-повітряної середовища із зони парозволоження;

- «ВЕНТИЛЯТОР ВИКЛ.». Сигнал вимикає вентилятор;

QF 1 - Сигнал, що знімається з автоматичного вимикача QF 1, підключає електродвигун вентилятора до мережі;

SB 19 - «ЩІТКА ВКЛ." При подачі цього сигналу в схема управління включається механізм очищення стрічки;

- «ЩІТКА ВИКЛ.»;

QF 2 - Сигнал, що знімається з автоматичного вимикача QF 2, підключає електродвигун механізму очищення стрічки до мережі;

SB 20 - «Обприскування ВКЛ.». При подачі цього сигналу в схему управління включається механізм обприскування готової продукції;

- «Обприскування ВИКЛ.»;

QF 3 - Сигнал, що знімається з автоматичного вимикача QF 3, підключає електродвигун механізму очищення готової продукції до мережі;

SB 3, SB 4 - «ОСВІТЛЕННЯ». Сигнали включають місцеве освітлення всередині пекарної камери;

SB 1 - «НАГРІВАЧІ ВКЛ." При надходженні цього сигналу в схему управління включаються електронагрівачі;

- «НАГРІВАЧІ ВИКЛ.»;

- «СИГНАЛІЗАЦІЯ ВИКЛ.». При надходженні цього сигналу в схему управління знімається сигнал звукової сигналізації;

Вихідні сигнали:

КМ1 - Управління приводом стрічкового конвеєра і сигналізації про включення / вимикання;

КМ2 - Управління приводом вентилятора і сигналізації про включення / вимикання;

КМ3 - Управління приводом механізму очищення стрічки та сигналізації про включення / вимикання;

КМ4 - Управління приводом механізму обприскування готової продукції та сигналізації про включення / вимикання;

КМ5 - Управління електронагрівачами і сигналізації про включення / вимикання;

НА - Включення / вимикання звукової сигналізації;

EL 1, EL 2 - Управління місцевим освітленням в пекарній камері;

Н L1 ... HL6 - Сигналізація про роботу механізмів печі і електронагрівачів.

Проміжні сигнали:

- Сигнал аварійного зупинення і сигналізація про зупинку;

КМ6 - Підготовка та оренду звукової сигналізації;

За алгоритмом роботи печі складемо логічні функції для проміжних і вихідних сигналів:

HL1 = K1;

HL2 = KM1;

(8.1)

HL3 = KM2;

HL4 = KM3;

HL5 = KM4;

HL6 = KM5;

8.4 Вибір апаратів

8.4.1 Вибір програмованого контролера і складання програми

За функціональною схемою і логічним функцій визначимо кількість необхідних входів і виходів для ПК (табл. 8.1):

Таблиця 8.1.

Дискретні входи 24В	16
Дискретні виходи 24В	11
Аналогові входи 0 - 10В	4
Аналогові входи Pt 100	4
Аналогові виходи 0 - 10В	9

Вибираємо для реалізації схеми автоматизації програмований контролер фірми SIEMENS типу SIMATIC S 5.

Для вхідних сигналів вибираємо з [20] дискретний вхідний модуль 6 ES 5430 - 7 LA 11 на 32 цифрових входи 24 В постійного струму. Технічні дані цього модуля наведені у таблиці 8.2:

Таблиця 8.2

Кількість входів	32
Рівні вхідних сигналів: логічна одиниця, У логічний нуль, У	13 ... 30 -30 ... 5
Вхідний струм, мА	8.5
Споживана потужність, Вт	6.5
Час перемикання, мс: З «0» в «1» З «0» в «1»	1.4 ... 5 1.4 ... 5

Для дискретних вихідних сигналів вибираємо з [20] дискретний вихідний модуль (6 ES 5454 - 7 LA 11) на 16 цифрових виходів 24 В постійного струму. Технічні дані цього модуля наведені у таблиці 8.3:

Таблиця 8.3.

Кількість виходів	16
Напруга навантаження L1, У	24
Вихідний струм для сигналу «1», А	2
Потужність індуктивного навантаження, Вт	10
Частота перемикання, Гц: При індуктивному навантаженні При омічний навантаженні	Max 0.27

Max 100