Модернизация привода сталкивателя блюмов

106

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

электропривод сталкиватель блюм автоматизированный

Введение

1. Задание и исходные данные к проекту

2. Выбор типа электропривода

3. Выбор и проверка электродвигателя

3.1 Расчёт нагрузочной диаграммы механизма

3.2 Предварительный выбор двигателя

3.3 Расчет и построение нагрузочной диаграммы двигателя

3.4 Проверка двигателя по нагреву

4. Выбор преобразователя частоты

4.1 Преобразователь частоты серии Altivar

4.2 Автоматическая адаптация темпа торможения

4.3 Закон управления «напряжение/частота»

4.4 Частота коммутации, уменьшение шума двигателя

4.5 Заданные скорости

4.6 Двухпроводное управление

4.7 Трехпроводное управление

4.8 Форсировка локального режима управления

4.9 Остановка на выбеге

4.10 Быстрая остановка

4.11 Динамическое торможение

4.12 Пошаговая работа (JOG)

4.13 Гарантия безопасности

4.14 Простота управления с графического экрана

4.15 Условия работы

4.16 Общие сведения по установке параметров

4.17 Электрическая схема силовой части преобразователя

5. Разработка системы автоматического регулирования

5.1 Общие положения

5.2 Структура системы управления приводом

5.3 Обоснование принятой САР

6. Разработка системы технологической автоматики

6.1 Управление электроприводом сталкивателя блюмов

6.1.1 Программное обеспечение системы базовой автоматизации

6.1.2 Аппаратное обеспечение системы базовой автоматизации

6.2 Структурная схема сетевых подключений

6.3 Краткое описание программы контроллера

6.3.1Организационные блоки

6.3.2 Блоки функций

6.3.3 Блоки данных

6.4 Описание экранов операторской панели OP170B

7. Технико-экономическое обоснование выбранного варианта электропривода

7.1 Техническое описание

7.2 Экономический расчет

8. Безопасность и экологичность проекта

8.1 Безопасность жизнедеятельности

8.1.1 Характер труда

8.1.2 Условия труда

8.1.3 Мероприятия по электробезопасности проектируемого электропривода

8.2 Экологичность проекта

8.2.1. Характеристика базового проекта

8.2.2 Экологическая эффективность

9. Методический раздел

9.1 Методические указания по работе с программой PowerSuite

9.2 Пользовательская настройка

Заключение

Библиография

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Современное высокопроизводительное оборудование для механизированного производства создаётся совместными усилиями технологов, машиностроителей, специалистов по электрическим машинам, ЭП и автоматизации. Одновременно с разработкой технологии и конструктивного состава механического оборудования разрабатывается его электрическое оборудование.

Конструктивные и кинематические особенности исполнительного органа механизма во многом предопределяется типом ЭП, на который ориентируются при разработке механической части. Имеет место и обратное влияние - в зависимости от конструктивных решений механической части значительные изменения претерпевает ЭП. Конструктивные решения отражаются на параметрах механической и электрической систем. Соотношения последних сказываются не только на статических и динамических качествах, но и на потребление электроэнергии, экономической работы электрифицированного механизма.

Сталкиватели служат главным образом для сдвигания (сталкивания) блюмов с рольганга на стеллаж, транспортер (шлеппер) или укладчик, чтобы освободить место для последующих поступающих по рольгангу блюмов. Применяют гидравлические, рычажные и реечные сталкиватели.

Реечные сталкиватели применяют наиболее широко, особенно для блюмов и слябов. Сталкиватель на рис. 1 предназначен для уборки блюмов с рольганга на холодильник (стеллаж) с одновременным передвижением всех находящихся перед ним ранее передвинутых блюмов на холодильнике.

Рис 1 Реечный сталкиватель блюмов:

а - общий вид реечного сталкивателя блюмов,

б - разрезы по реечной шестерне и опорным роликам рейки.

Сталкиватель находится в хвостовой части технологической линии обжимного стана (блюминга). На блюминге путем обжатия слитков, полученных из сталеплавильного цеха, производят блюмы - заготовки квадратного сечения от 200 Ч 200 мм до 300 Ч 300 мм, представляющие собой полуфабрикат для дальнейшей переработки в сортовой металл. Прокатанная заготовка от блюминга подается рольгангами к ножницам для обрезки концов и порезки на мерные длины. Полученные таким образом блюмы взвешиваются на весах, рольгангами транспортируются в хвостовую часть стана и сталкиваются с рольганга сталкивателем на конвейер, которым далее транспортируются либо на склад заготовок, либо на линию прокатки заготовочного стана для получения заготовок меньшего сечения.

Рабочим органом сталкивателя являются две штанги. Движение передается штангам от двигателя через редуктор и ведущие шестерни, которые находятся в зацеплении с зубчатыми рейками на штангах. Электропривод сталкивателя блюмов работает в повторно-кратковременном режиме с переменной нагрузкой.

Таким образом, сталкиватель должен обладать достаточной мощностью для сталкивания необходимого количества полупродукта. Кроме того, при обратном ходе он не должен мешать движению по рольгангу следующих блюмов

Рис 2 Общий вид сталкивателя блюмов

При движении вперед сталкиватель захватывает пальцами, проходящими над рольгангом, блюм и сталкивает его; при обратном ходе, при встрече с перемещаемым по рольгангу блюмом или слябом, пальцы свободно поднимаются, не мешая движению металла по рольгангу. Кроме того, пальцы могут проворачиваться в направлении движения металла по рольгангу на случай, если блюм ударится о палец.

1. Задание и исходные данные к проекту

Рис 1.1 Кинематическая схема сталкивателя блюмов

Исходные данные

Таблица 1.1

Параметр	Обозначение	Значение
Масса заготовки, т	mм	1,55
Масса штанги, т	mш	1,35
Путь толкания, м	Lт	4,8
Путь подхода штанг к заготовке, м	Lп	1,4
Рабочая скорость прямого хода, м/с	Vпр	0,4
Радиус ведущей шестерни, м	rш	0,25
Момент инерции ведущей шестерни, кгМм2	Jш	7,5
Продолжительность включения, %	ПВ	51
Отношение обратной скорости к рабочей скорости	Кобр	2
Отношение пониженной скорости к рабочей скорости	Кпон	0,5
Коэффициент трения штанги о ролики	мр	0,06
Коэффициент трения заготовки о рольганг	мм	0,5
КПД механических передач при рабочей нагрузке	зпN	0,95
КПД механических передач при работе на холостом ходу	зпхх	0,5

Задание к проекту

Для сталкивателя блюмов в проекте требуется выполнить:

· выбор типа электропривода;

· выбор электродвигателя и его проверку по нагреву;

· расчет передаточного числа редуктора;

· выбор тиристорного преобразователя, силового трансформатора (токоограничивающего реактора), сглаживающего реактора (при необходимости);

· расчет элементов системы автоматического управления электроприводом.

Требования к электроприводу

1. Обеспечение работы сталкивателя по следующему циклу:

· разгон штанг до пониженной скорости на холостом ходу;

· подход штанг к заготовке и начало толкания с пониженной скоростью;

· разгон до рабочей скорости;

· толкание на рабочей скорости до сталкивания заготовки;

· замедление до остановки штанг;

· разгон в обратном направлении до повышенной скорости;

· возврат штанг на холостом ходу с повышенной скоростью;

· замедление штанг до остановки в исходном положении;

· пауза (двигатель отключается).

2. Обеспечение рекуперации энергии в тормозных режимах.

3. Разгоны и замедления должны проходить с постоянством ускорения.

4. Статическая ошибка по скорости при толкании не должна превышать 10%.

5. Система управления должна обеспечить ограничение тока и момента двигателя при механических перегрузках.

2. Выбор типа электропривода

При выборе типа электропривода, прежде всего, учитывается условие работы производственного механизма. Высокая производительность и качество выпускаемой продукции могут быть обеспечены лишь при правильном учёте статических и динамических характеристик привода и рабочей машины. Кинематика, и даже конструкция рабочей машины в значительной степени определяются типом применяемого ЭП, и, наоборот, в зависимости от конструктивных особенностей исполнительного механизма привод претерпевает значительные изменения.

При выборе типа ЭП должны быть учтены: характер статического момента, необходимые пределы регулирования скорости, плавности регулирования, требуемых механических характеристик, условий пуска и торможения, числа включений в час, качества окружающей среды и т.п.

Первоначально решается вопрос о выборе регулируемого или нерегулируемого типа ЭП. В последнем случае задача значительно упрощается. Все сводится к выбору двигателя переменного тока (асинхронные двигатели). В случае с регулированием по скорости решается вопрос о выборе рода тока привода.

Применение постоянного тока может быть оправдано лишь в тех случаях, когда привод должен обеспечивать повышенные требования к плавности регулирования скорости. Приводы постоянного тока используются в механизмах, работающих в повторно-кратковременном режиме: краны, подъёмные механизмы, вспомогательные механизмы металлургической промышленности (шлепперы, рольганги, сталкиватели, нажимные устройства).

В случае приводов повторно-кратковременного режима тип двигателя определяется из условий получения минимальной деятельности переходного процесса, минимальных динамических моментов. С этой целью либо используют специальные двигатели с минимальным моментом инерции, либо переходят к двухдвигательному приводу (суммарный момент инерции двух двигателей той же мощности, что и однодвигательный привод меньше на 20 - 40%).

Для сталкивателя блюмов возможно использование следующих ЭП:

· «ПЧ-АД» (преобразователь частоты - асинхронный двигатель);

· «Г - Д» (генератор - двигатель);

· «ТП - Д» (тиристорный преобразователь - двигатель).

Система «ПЧ-АД» в принципе, позволяет получить характеристики, аналогичные «ТП - Д», но стоимость частотного преобразователя гораздо выше управляемого выпрямителя.

К недостаткам системы «Г - Д» относят:

· необходимость в двукратном преобразовании энергии, что приводит к значительному снижению КПД;

· наличие двух машин в преобразовательном агрегате;

· значительные габариты установки;

· высокие эксплуатационные расходы.

Для электропривода сталкивателя блюмов принимаем систему «ПЧ - АД».

3. ВЫБОР И ПРОВЕРКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

3.1 Расчёт нагрузочной диаграммы механизма

Для выбора двигателя необходимо рассчитать его требуемую номинальную мощность, исходя из нагрузочной диаграммы механизма (т.е. временной диаграммы моментов или сил статического сопротивления механизма на его рабочем органе). По рассчитанной мощности затем выполняется предварительный выбор двигателя.

Построим нагрузочную диаграмму сталкивателя блюмов (график статических усилий перемещения штанг). Расчет времени участков цикла на этапе предварительного выбора двигателя выполняем приблизительно, т.к. пока нельзя определить время разгона и замедления (суммарный момент инерции привода до выбора двигателя неизвестен).

Пониженная скорость штанг:

(1)

где V_пон - пониженная скорость прямого хода стола, м/с;

К_пон - кратность пониженной и рабочей скоростей прямого хода;

V_пр - скорость прямого хода, м/с.

Скорость обратного хода штанг:

(2)

где К_обр - кратность обратной скорости и рабочей скорости прямого хода.

Усилие перемещения штанги на холостом ходу:

(3)

где F_хх - усилие перемещения на холостом ходу, Н;

m_ш - масса штанги, кг;

g - ускорение свободного падения (g=9,81 м/с²);

м_р - коэффициент трения о ролики.

Усилие при толкании заготовки:

(4)

где F_т - усилие при толкании, Н;

m_м - масса детали, кг;

g - ускорение свободного падения (g=9,81 м/с²);

м_м - коэффициент трения заготовки .

Время толкания (приблизительно):

(5)

где t_т - время толкания, с;

L_т - путь толкания, м.

Время подхода штанг к заготовке (приблизительно):

(6)

где t_п - время подхода штанг к заготовки, с;

L_п - путь подхода штанг к заготовки, м.

Время возврата штанг (приблизительно):

(7)

где t_обр - время возврата стола, с.

Время работы в цикле (приблизительно):

(8)

где t_ц - время цикла, с.

Время паузы в цикле (приблизительно):

(9)

где t_о - время паузы в цикле, с.

Исходя из расчетов строится нагрузочная диаграмма, рис 3.1

106

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 3.1 Нагрузочная диаграмма сталкивателя блюмов

Эквивалентное статическое усилие за время работы в цикле:

(10)

где F_экв - эквивалентное статическое усилие за время работы в цикле, Н.

При расчете требуемой номинальной мощности двигателя предполагаем, что будет выбран двигатель, номинальные данные которого определены для повторно-кратковременного режима работы и стандартного значения продолжительности включения ПВ_N=40%. Номинальной скорости двигателя должна соответствовать скорость обратного хода штанг, которая является максимальной скоростью в заданном рабочем цикле. Такое соответствие объясняется тем, что принято однозонное регулирование скорости, осуществляемое вниз от номинальной скорости двигателя.

Расчетная номинальная мощность двигателя:

(11)

где Р_рас - расчетная мощность двигателя, Вт;

K_з - коэффициент запаса (примем K_з = 1,2).

3.2 Предварительный выбор двигателя

Выбираем асинхронный двигатель серии 4А - 4А160М6У3. Для сталкивателя блюмов выбираем двигатель с естественным охлаждением, номинальные данные которого определены для повторно-кратковременного режима работы с продолжительностью включения ПВ_N =40%.

Выбираем двигатель серии 4А. Номинальные данные двигателя приведены в табл 3.1

Таблица 3.1 Данные выбранного двигателя 4А160М6У3

Параметр	Обозначение	Значение
Номинальная мощность двигателя, кВт	РN	9,5
Номинальное напряжение статора, В	U1N	220
Номинальная частота питающей сети, Гц	fN	50
Номинальный ток статора, А	I1N	21
Синхронная частота вращения, об/мин	n1	1000
Активное сопротивление обмотки статора, Ом	r1	0,075
Индуктивное сопротивление обмотки статора, Ом	x1	0,13
Активное сопротивление обмотки ротора, Ом	r`2	0,031
Индуктивное сопротивление обмотки ротора, Ом	x`2	0,18
Коэффициент мощности двигателя	cos цN	0,86
Коэффициент полезного действия двигателя	зN	0,86
Момент инерции двигателя, кг•м2	J	0,18
Номинальная частота вращения ротора, об/мин	nN	986

Для дальнейших расчетов потребуется ряд данных двигателя, которые не приведены в справочнике. Выполним расчет недостающих данных двигателя:

Номинальная угловая скорость:

(12)

где Щ_N - номинальная угловая скорость, рад/с;

n_N - номинальная частота вращения, об/мин.

Номинальный момент двигателя:

(13)

где М_N - номинальный момент двигателя, Нм;

Р_N - номинальная мощность двигателя, Вт.

(14)

где f_N - номинальный частота тока, Гц;

р - число пар полюсов.

3.3 Расчет и построение нагрузочной диаграммы двигателя

Для проверки предварительно выбранного двигателя по нагреву выполним построение упрощенной нагрузочной диаграммы двигателя (т.е. временной диаграммы момента двигателя без учета электромагнитных переходных процессов). Для ее построения произведем расчёт передаточного числа редуктора, приведение моментов статического сопротивления и рабочих скоростей к валу двигателя, определим суммарный момент инерции привода и зададимся динамическим моментом при разгоне и замедлении привода. По результатам расчета строится нагрузочная диаграмма, а также тахограмма двигателя.

Расчет передаточного числа редуктора i_р выполняется так, чтобы максимальной скорости рабочего органа механизма соответствовала номинальная скорость двигателя.

Передаточное число редуктора:



(15)

где i_р - передаточное число редуктора;

r_ш - радиус ведущей шестерни, м.

Момент статического сопротивления при толкании, приведенный к валу двигателя:

(16)

где М_ст - момент статического сопротивления при резании, приведенный к валу двигателя, Нм;

з_ПN - КПД механической передачи при рабочей нагрузке.

Момент статического сопротивления при перемещении штанг на холостом ходу, приведенный к валу двигателя:

(17)

где M_c.xx - момент статического сопротивления при перемещении стола на холстом ходу, приведенный к валу двигателя, Нм;

з_пхх - КПД механической передачи при перемещении стола на холостом ходу.

Пониженная скорость, приведенная к валу двигателя:

(18)

где Щ_пон - пониженная скорость, приведенная к валу двигателя, рад/с.

Скорость прямого хода, приведенная к валу двигателя:

(19)

где Щ_пр - скорость прямого хода, приведенная к валу двигателя, рад/с.

Скорость обратного хода, приведенная к валу двигателя:

(20)

где Щ_обр - скорость обратного хода, приведенная к валу двигателя, рад/с.

Суммарный момент инерции механической части привода:

(21)

где J - суммарный момент инерции механической части привода, кг•м²;

д - коэффициент, учитывающий моменты инерции полумуфт, ведущей шестерни и редуктора (принимаем д = 1,2);

J_Д - момент инерции двигателя, кг•м².

Модуль динамического момента двигателя по условию максимального использования двигателя по перегрузочной способности:

(22)

где |М_дин| - модуль динамического момента двигателя, Нм;

k - коэффициент, учитывающий увеличение максимального момента на уточненной нагрузочной диаграмме; k = 0,95.

Mmax = 2*Mн = 2*92=184Hм

Ускорение вала двигателя в переходных режимах:

(23)

где е - ускорение вала двигателя в переходных режимах, рад/с².

Ускорение штанг в переходных режимах:

(24)

где а - ускорение стола в переходных режимах, рад/с².

Разбиваем нагрузочную диаграмму на 9 интервалов. Сначала рассчитываем интервалы разгона и замедления электропривода, затем интервалы работы с постоянной скоростью.

Интервал 1. Разгон до пониженной скорости.

Продолжительность интервала 1:

(25)

Путь, пройденный на интервале 1:

Момент двигателя на интервале 1

(27)

Интервал 4. Разгон от пониженной скорости до скорости прямого хода.

Продолжительность интервала 4:

(28)

Путь, пройденный на интервале 4:

(29)

Момент двигателя на интервале 4:

Интервал 6. Замедление от скорости прямого хода до остановки.

Продолжительность интервала 6:

Путь, пройденный на интервале 6:

Момент двигателя на интервале 6:

(33)

Интервал 7. Разгон до скорости обратного хода.

Продолжительность интервала 7:

(34)

Путь, пройденный на интервале 7:

(35)

Момент двигателя на интервале 7:

(36)

Интервал 9. Замедление от скорости обратного хода до остановки.

Продолжительность интервала 9:

(37)

Путь, пройденный столом на интервале 9:

(38)

Момент двигателя на интервале 9:

(39)

Интервал 2. Подход штанг к заготовке с пониженной скоростью.

Путь, пройденный на интервале 2:

(40)

Продолжительность интервала 2:

(41)

Момент двигателя на интервале 2:

(42)

Интервал 3. Толкание на пониженной скорости.

Путь, пройденный на интервале 3 (принимается):

(43)

Продолжительность интервала 3:

(44)

Момент двигателя на интервале 3:

(45)

Интервал 5. Толкание на скорости прямого хода.

Путь, пройденный на интервале 5:

(46)

Продолжительность интервала 5:

Момент двигателя на интервале 5:

(48)

Интервал 8. Возврат штанг со скоростью обратного хода.

Путь, пройденный на интервале 8:

(49)

Продолжительность интервала 8:

(50)

Момент двигателя на интервале 8:

(51)

По результатам расчёта строится нагрузочная диаграмма и тахограмма двигателя рис 3.2

3.4 Проверка двигателя по нагреву

Для проверки выбранного двигателя по нагреву используем метод эквивалентного момента. Используя нагрузочную диаграмму двигателя, определяем эквивалентный по нагреву момент за время работы в цикле. Затем приводим эквивалентный момент к номинальной продолжительности включения двигателя. Для нормального теплового состояния двигателя необходимо, чтобы приведённый к номинальной ПВ момент был не больше номинального момента двигателя.

Эквивалентный момент за время работы в цикле (по нагрузочной диаграмме):

(52)

где n - число интервалов нагрузочной диаграммы, на которых двигатель находится в работе (интервалы пауз не учитываются).

Для механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме, продолжительность включения в рабочем цикле отличается от номинальной продолжительности включения двигателя. Поэтому для этих приводов необходимо выполнить приведение эквивалентного момента к номинальной продолжительности включения двигателя.

(53)

Если условие М_экв(пр) ? М_N выполняется, то выбранный двигатель проходит по нагреву. Если данное условие не выполняется, то необходим выбор другого двигателя большей мощности.

Запас по нагреву:

(54)

Запас должен быть в пределах (15 ч 25) %

4 ВЫБОР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ

4.1 Преобразователь частоты серии Altivar

Из предложенного на рынке оборудования частотного регулирования наиболее выгодную позицию занимает ПЧ компании Schneider Electric серии Altivar рис 4.1. Имея в своей структуре базовые элементы системы автоматического управления и регулирования, а также возможность наращивания дополнительного функционала, ПЧ обеспечивают высокую гибкость в процессе интеграции в существующие системы.

Преобразователь Altivar оптимально решает любые задачи с учетом особенностей каждого механизма, имеет открытую архитектуру для всех коммуникационных сетей и адаптируемый к различным применениям, в том числе для привода штанг толкателя блюмов. Имеют гибкое программирование с возможностью создавать программы диспетчерского управления с полным отображением технологического процесса по всему цеху/заводу на базе ПЧ.

Рис 4.1 Преобразователи частоты Altivar

Преобразователи Altivar обладают следующими номиналами и характеристиками:

· 0,75 - 500 кВт, трехфазное питание 380 - 500 В;

· 0,37-75 кВт, трехфазное, либо однофазное питание 200 - 240В;

· встроенные фильтры ЭМС класса А;

· нормы и сертификаты: UL,CSA, СЕ, Ctick;, ГОСТ;

· пусковой момент до 220% Мп;

· векторное управление потоком в замкнутой или разомкнутой системе с асинхронными двигателями;

· автоподстройка к параметрам двигателя;

· регулирование скорости или момента;

· выходная частота до 1000 Гц;

· управление синхронными двигателями в разомкнутой системе.

Многофункциональность базового модуля (прикладные задачи, входы-выходы, коммуникационные протоколы) значительно расширяется за счет дополнительных:

· карт входов-выходов;

· интерфейсных карт импульсного датчика;

· коммуникационных карт;

· программируемой карты встроенного контроллера;

· минимальное время реакции при отработке команд: 2 ± 0,5 мс;

· задание по импульсному или дифференциальному аналоговому входу;

· управление по основным коммуникационным сетям;

· позиционирование с помощью концевых выключателей с оптимизацией работы на нижней скорости;

· мультипараметрирование путем переключения комплектов параметров;

· высокая скорость и защита (выходная частота до 1000 Гц.);

· быстрая управляемая остановка при обрыве сетевого питания;

· управление по встроенной шине CANopen;

· защита двигателя от перенапряжений;

· ПИД-регулятор технологических переменных;

· высокое разрешение при цифровом задании скорости (1/32000);

· регулирование скорости или момента;

· подключение к основным коммуникационным сетям;

· раздельное питание цепей управления;

· тормозной модуль с рекуперацией энергии в сеть;

· подключение к общей сети постоянного тока;

· высокое разрешение задающего сигнала;

· точность поддержания скорости вне зависимости от нагрузки при использовании синхронного двигателя;

· полоса пропускания до 50 Гц;

· функция управления намоткой;

· подключение к общей сети постоянного тока;

· минимальное время реакции при изменении задания 2 ± 0,5мс;

· позиционирование с помощью концевых выключателей;

· постепенное изменение выходной частоты в соответствии с заданной скоростью по линейному или по предварительно заданному закону;

· применение S-образных (рис 4.2) и U-образных (рис 4.3) кривых позволяет выбрать механический зазор, устранить удары и ограничивает несовпадение скорости с заданием во время быстрых переходных процессов в случае большого момента инерции;

· выбор линейных, S- или U-образных кривых относится как к разгону, так и к торможению.

Рис 4.2 S - образная кривая

Рис 4.3 U - образная кривая

где FrS - номинальная частота напряжения питания двигателя;

t1 - настраиваемое время разгона торможения;

t2 = 0.6 x t1;

фиксированный коэффициент сглаживания.

4.2 Автоматическая адаптация темпа торможения

ПЧ Altivar обеспечивает автоматическую адаптацию темпа торможения, если начальная уставка времени слишком мала для данного момента инерции нагрузки. Эта функция позволяет избежать блокировки преобразователя при резком торможении. Кривая темпа торможения отображена на рис 4.4

Рис 4.4 Кривая темпа торможения

где ускорение 1 (АСС) и замедление 1 (dЕС):

· настройка от 0,1 до 999,9 с;

· начальная уставка 3 с.

ускорение 2 (АС2) и замедление 2 (dЕ2):

· настройка от 0,1 до 999,9 с;

· начальная уставка 5 с.

GV - верхняя скорость

Функция используется при всех видах применения, где не требуется точная остановка и не используются тормозные резисторы.

Автоматическая адаптация должна быть отключена в случае использования механизма с позиционной остановкой с заданным темпом и с тормозным резистором. Эта функция автоматически блокируется, если сконфигурирована функция «Логика управления тормозом».

4.3 Закон управления «напряжение/частота»

Определение предельных значений закона «напряжение/частота» в зависимости от характеристик сетевого питания, двигателя и применения.

Любое применение с постоянным или переменным моментом нагрузки, с/без превышения скорости:

· базовая частота, соответствующая сетевому питанию;

· номинальная частота напряжения двигателя, считанная с заводской таблички двигателя;

· номинальное напряжение двигателя, считанное с заводской таблички двигателя;

· максимальная выходная частота преобразователя.

Тип закона «напряжение/частота».

Адаптация закона управления «напряжение/частота» к конкретному виду применения в целях оптимизации характеристик с постоянным моментом (механизмы со средней нагрузкой на пониженных скоростях), с двигателями, включенными параллельно, или со специальными двигателями (например: с ротором с повышенным сопротивлением): закон L, отображены на рис. 4.5.

· применения с перемененным моментом нагрузки (насосы, вентиляторы): закон Р;

· тяжело нагруженные механизмы на малой скорости, механизмы с быстродействующими рабочими циклами, с векторным управлением потоком без датчика скорости: закон n;

· энергосбережение для механизмов с медленным изменением момента и скорости: закон nLd Напряжение понижается автоматически до минимума в зависимости от требуемого момента.

Рис 4.5 Кривые законов управления

где U_n - номинальное напряжение двигателя, f_n - номинальная частота двигателя.

Автоподстройка может осуществляться с помощью диалоговых средств локального управления, последовательного канала связи, по желанию:

· при каждом включении напряжения;

· при каждой подаче команды пуска;

· по команде дискретного входа.

Автоподстройка позволяет оптимизировать характеристики к применению.

4.4 Частота коммутации, уменьшение шума двигателя

Настройка частоты коммутации позволяет уменьшить шум, производимый двигателем.

Частота коммутации модулируется случайным образом для исключения резонансных явлений.

Функция может быть отключена, если она приводит к неустойчивой работе.

Высокая частота коммутации напряжения промежуточного звена постоянного тока используется для подачи на двигатель тока с низким гармоническим искажением. Частота коммутации может настраиваться при работе для подавления шума двигателя.

Значения частоты: от 2 до 16 кГц, заводская настройка 4 кГц.

Предусмотрена возможность запрета длительной работы двигателя до двух частотных полос шириной + 1 Гц, регулируемых в пределах рабочего диапазона.

В зависимости от конфигурации преобразователя задание скорости может осуществляться от различных источников:

· внешние задания на 3 аналоговых входа;

· задающий потенциометр;

· работа в режиме «быстрее - медленнее» с помощью дискретных входов, клавиш встроенного или выносного терминала;

· задание от выносного терминала;

· задания скорости, поступающие по сети или коммуникационной шине. Управление всеми этими источниками осуществляется путем программирования функций и каналов задания.

4.5 Заданные скорости

Переключение предварительно заданных уставок скорости. Возможен выбор 2, 4, 8 или 16 фиксированных уставок скорости. Условия: 1, 2, 3 или 4 дискретных входа. График получаемый с входами заданых скоростей отображен на рис 4.6

Фиксированные уставки настраиваются с шагом 0,1 Гц в диапазоне от 0 до 500 Гц. Применяется для привода сталкивателя блюмов, а также механизмов с несколькими рабочими скоростями.

Рис 4.6 Скорость получаемая с входами LI3 и LI4 в состоянии 0

где нижняя LSP или заданная скорость в зависимости от уровня аналоговых входов АI1, AI2 и AI3

4.6 Двухпроводное управление

Управление направлением вращения при помощи контактов с фиксированным состоянием. Условия реализации: при помощи одного или двух дискретных входов (одно или два направления вращения). Все применения с одним или двумя направлениями вращения (рис 4.7)

Три возможных вида работы:

· определение состояния дискретных входов;

· определение изменения состояния дискретных входов;

· определение изменения состояния дискретных входов, когда вращение вперед имеет приоритет над вращением назад.

Рис 4.7 Схема соединений при 2-проводном управлении

4.7 Трехпроводное управление

Управление направлением вращения и остановкой при помощи импульсных контактов. Условия реализации: при помощи двух или трех дискретных входов (одно или два направления вращения) отображено на рис. 4.8. Все применения с одним или двумя направлениями вращения.

Рис 4.8 Схема соединений при трехпроводном управлении

4.8 Форсировка локального режима управления

Форсировка локального режима требует подачи команды с помощью клеммника или терминала и запрещает другие способы управления.

Для локальной форсировки используются следующие задания и команды:

· задания АН, А12 или А13 и управление с помощью дискретных входов;

· задание и управление с помощью клавиш RUN/SТОР и задающего потенциометра (только для АТV31);

· задание и управление с помощью выносного терминала.

Переход в режим локальной форсировки осуществляется с помощью дискретного входа.

4.9 Остановка на выбеге

Остановка двигателя на выбеге при выключенном питании под действием момента сопротивления на валу.

Остановка на выбеге осуществляется путем:

· подачи команды нормальной остановки, сконфигурированной на остановку на выбеге (при снятии команды пуска или подаче команды остановки);

· активизации дискретного входа.

4.10 Быстрая остановка

Остановка с темпом замедления (уменьшенным в 2 - 10 раз), приемлемым для системы "преобразователь-двигатель" без блокировки по неисправности "резкое торможение". Применяется для аварийной остановки конвейеров. Быстрая остановка осуществляется путем:

· нормальной остановки, сконфигурированной на быструю остановку (при снятии команды пуска или подаче команды остановки);

· активизации дискретного входа.

4.11 Динамическое торможение

Торможение на малой скорости вентиляторов с большой инерционностью или поддержание момента при остановке в случае, когда вентиляторы находятся в потоке воздуха.

Динамическое торможение получается путем:

· нормальной остановки, сконфигурированной на остановку динамическим торможением (при снятии команды пуска или подаче команды остановки);

· активизации дискретного входа.

Ток и время динамического торможения настраиваются.

4.12 Пошаговая работа (JOG)

Работа в импульсном режиме с минимальным временем отработки задания (0,1 с), с ограниченной заданной скоростью и минимальным временем между двумя импульсами. Условия реализации: назначение на эту функцию переназначаемого дискретного входа LI и подача импульсов на вращение двигателя.

Применение: механизмы с подачей материала вручную (например: постепенное продвижение механизма во время техобслуживания).

Существует несколько каналов управления и задания, которые могут быть независимыми. Команды управления «вперед», «назад» и задания скорости могут осуществляться с помощью следующих средств:

· клеммник (дискретные и аналоговые входы);

· клавиатура только для ПЧ АТУ (клавиши RUN/SТОР и задающий потенциометр);

· клавиатура АТV;

· последовательный канал связи;

· выносной терминал;

· слово управления Modbus;

· слово управления САNopen.

4.13 Гарантия безопасности

Двигатель: тепловая защита с помощью терморезисторов или встроенного электронного теплового реле, защита от перенапряжений.

Производственный механизм: защитная функция блокировки ПЧ (запрет несанкционированного пуска двигателя), управление при предупредительной сигнализации, управление при внешних неисправностях.

Окружающая среда: преобразователь разработан в соответствии с концепцией «Экодизайн».

Преобразователь: автоматическая защита при перегреве, ограничение тока аппаратными и программными средствами.

4.14 Простота управления с графического экрана

Графический экран с настройкой отображения (рис. 4.10).

Текстовая индикация на шести языках по выбору (английском, испанском, русском, китайском, немецком, французском) с возможностью замены на другой язык. Навигационная ручка, обеспечивающая простой и быстрый доступ к меню прокрутки.

Рис 4.10 Графический экран

Описание графического терминала:

1. Графический дисплей:

· 8 строк, 240 x 160 пикселей;

· отображение крупных символов, видимых с 5 м;

· отображение индикаторных линеек.

2. Функциональные клавиши F1, F2, F3, F4, назначаемые на:

· диалоговые функции: прямой доступ, справочная система, навигация;

· прикладные функции: локальное/дистанционное управление, заданные скорости.

3. Клавиша «STOP/RESET»: локальное управление остановкой двигателя/сброс неисправностей;

4. Клавиша «RUN»: локальное управление пуском двигателя;

5. Ручка навигатора:

· при нажатии: запись текущего значения (ENT);

· при вращении ±: увеличение или уменьшение значения, переход на следующую или предыдущую строку.

6. Клавиша «FWD/REV»: изменение направления вращения двигателя;

7. Клавиша «ESC»: отказ от текущей уставки, параметра или меню для возврата к предыдущему выбору;

Примечание: клавиши 3, 4 и 6 обеспечивают локальное управление преобразователем.

Меню упрощенного запуска для быстрого ввода в эксплуатацию и получения наилучших характеристик привода. Функциональные клавиши для облегчения навигации, получения контекстной помощи или конфигурируемые под конкретное применение. Непрерывная индикация текущих параметров двигателя.

4.15 Условия работы

Температура наружного воздуха:

Минимальная рабочая температура = -10 °С, максимальная рабочая температура = 50 °С.

Примечание: При работе инвертора с нагрузкой переменного момента (вентиляторы или насосы) допускается увеличивать номинальную выходную мощность инвертора примерно на 1 габарит. В этом случае необходимо снизить (программно) перегрузочную способность инвертора (относительно его номинальных данных).

Влажность. 95 %, без конденсации.

Удар. Не допускать падений преобразователя и ударов.

Вибрации. Не устанавливать преобразователь в зонах постоянных вибраций.

Электромагнитное излучение. Не устанавливать преобразователь вблизи от источников электромагнитного излучения.

Загрязнение атмосферного воздуха. Не устанавливать преобразователь в среде, содержащей загрязнения атмосферного воздуха, такие как пыль, агрессивные газы, и т.д.

Вода. Обратите внимание на то, чтобы преобразователь не подвергался воздействию влаги. Так нельзя устанавливать преобразователь под трубами, на которых возможно появление конденсата. Не устанавливать преобразователь в местах с повышенной влажностью и наличием конденсата.

Внимание! Привод не должен монтироваться в горизонтальном положении! Установка и охлаждение. Преобразователь монтируют вертикально, чтобы гарантировать оптимальное охлаждение силовых приборов. При горизонтальном монтаже может быть необходим дополнительный обдув. Допускается монтаж преобразователей бок обок. Обеспечьте, чтобы вентиляционные отверстия преобразователя не были прикрыты. Над и под преобразователем необходимо свободное от оборудования расстояние 100 мм.

4.16 Общие сведения по установке параметров

Преобразователи частоты имеют сложную микропроцессорную систему управления, обеспечивающую оптимальную работу электропривода в технологическом процессе, а также многофункциональную связь с внешними элементами и системами управления. Система управления преобразователем включает несколько контуров регулирования параметров привода, которые связаны между собой. Такое построение системы приводит к необходимости точной настройки внутренних параметров этих контуров регулирования и любые их отклонения от оптимальных значений может привести к неустойчивой или некорректной работе привода в технологическом процессе.

Набор параметров преобразователей позволяет производить точную настройку и диагностирование привода на месте установки, без применения специальных приборов. Однако, учитывая большое количество применяемых параметров настройки, программное обеспечение предоставляет пользователю разные уровни доступа параметров, исключая возможность случайного (или намеренного) неквалифицированного вмешательства в параметры, влияющие на качество работы внутренних блоков управления и регулирования, пользователю представляется несколько уровней доступа к параметрам настройки. Каждый уровень доступа рассчитан на соответствующую квалификацию работника, выполняющего установку параметров привода.

4.17 Электрическая схема силовой части преобразователя

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока (рис 4.11)

Рис. 4.11 Структурная схема ПЧ с явновыраженным звеном постоянного тока.

В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Для формирования синусоидального переменного напряжение используются автономные инверторы напряжение и автономные инверторы тока.

В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GТО и их усовершенствованные модификации GСТ, IGСТ, SGСТ, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGВТ.

Главным достоинством тиристорный преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.

Они имеют более высокий КПД (до 98%) по отношению к преобразователям на IGВТ транзисторах (95 - 98%).

Преобразователи частоты на тиристорах в настоящее время занимают доминирующее положение в высоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатт и до десятков мегаватт с выходным напряжением 3-10 кВ и выше. Однако их цена на один кВт выходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей.

До недавнего прошлого преобразователи частоты на GТО составляли основную долю и в низковольтном частотно регулируемом приводе. Но с появлением IGВТ транзисторов произошел «естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидеры в области низковольтного частотно регулируемого привода.

Тиристор является полууправляемым приборам: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий вывод, но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для этого в тиристорном преобразователе частоты требуется сложная и громоздкая система управления.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGВТ отличают от тиристоров полная управляемость, простая неэнергоемкая система управления, самая высокая рабочая частота.

Вследствие этого преобразователи частоты на IGВТ позволяют расширить диапазон управления скорости вращения двигателя, повысить быстродействие привода в целом.

Для асинхронного электропривода с векторным управлением преобразователи на IGВТ позволяют работать на низких скоростях без датчика обратной связи.

Применение IGВТ с более высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорной системой управления в преобразователях частоты снижает уровень высших гармоник, характерных для тиристорный преобразователей. Как следствие - меньшие добавочные потери в обмотках и магнитопроводе электродвигателя, уменьшение нагрева электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение так называемого «шагания» ротора в области малых частот. Снижаются потери в трансформаторах, конденсаторных батареях, увеличивается их срок службы и изоляции проводов, уменьшаются количество ложных срабатываний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.

Преобразователи на транзисторах IGВТ по сравнению с тиристорными преобразователями при одинаковой выходной мощности отличаются меньшими габаритами, массой, повышенной надежностью в силу модульного исполнения электронных ключей, лучшего теплоотвода с поверхности модуля и меньшего количества конструктивных элементов.

Они позволяют реализовать более полную защиту от бросков тока и от перенапряжения, что существенно снижает вероятность отказов и повреждений электропривода. На настоящий момент низковольтные преобразователи на IGВТ имеют более высокую цену на единицу выходной мощности, вследствие относительной сложности производства транзисторных модулей. Однако по соотношению цена/качество, исходя из перечисленных достоинств, они явно выигрывают у тиристорных преобразователей, кроме того, на протяжении последних лет наблюдается неуклонное снижение цен на ЮВТ модули.

Главным препятствием на пути их использования в высоковольтном приводе с прямым преобразованием частоты и при мощностях выше 1-2 МВт на настоящий момент являются технологические ограничения. Увеличение коммутируемого напряжения и рабочего тока приводит к увеличению размеров транзисторного модуля, а также требует более эффективного отвода тепла от кремниевого кристалла.

Новые технологии производства биполярных транзисторов направлены на преодоление этих ограничений, и перспективность применения IGВТ очень высока также и в высоковольтном приводе. В настоящее время IGВТ транзисторы применяются в высоковольтных преобразователях в виде последовательно соединенных нескольких единичных модулей.

Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGВТ транзисторах. Типовая схема низковольтного преобразователя частоты представлена на (рис 4.12) В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя.

Переменное напряжение питающей сети (uвх.) с постоянной амплитудой и частотой (Uвх = соnst;, fвх = соnst) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1). Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

С выхода фильтра постоянное напряжение ud поступает на вход автономного импульсного инвертора (3). Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGВТ. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

Рис. 4.12 Типовая схема низковольтного преобразователя частоты

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение uи изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя, амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

При высокой несущей частоте ШИМ (2 ... 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения uи может достигаться регулированием величины постоянного напряжения ud, а изменение частоты - режимом работы инвертора.

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGВТ в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует).

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (Uвых = var, fвых = var).

Электрическая схема силовой части преобразователя представлена на рис 4.13

Рис 4.13 Электрическая схема силовой части преобразователя

где UZ1 - входной управляемый двухполупериудный выпрямитель;

Ф - емкости фильтров;

ЕS - блок управления тормозным резистором;

UZ2 - выходной инвертор.

Применение частотно-регулируемого электропривода обеспечивает:

· изменение скорости вращения в ранее нерегулируемых технологических процессах;

· синхронное управление несколькими электродвигателями от одного преобразователя частоты;

· замена приводов постоянного тока, что позволяет снизить расходы, связанные с эксплуатацией;

· создание замкнутых систем асинхронного электропривода с возможностью точного поддержания заданных технологических параметров;

· возможность исключения механических систем регулирования скорости вращения (вариаторов, ременных передач);

· повышение надежности и долговечности работы оборудования;

· большую точность регулирования скорости движения, оптимальные параметры качества регулирования скорости в составе механизмов, работающих с постоянным моментом нагрузки (конвейеры, загрузочные кулисные механизмы и т.п.);

· повышение качества продукции;

· увеличение объема выпускаемой продукции и производительности производственного оборудования;

· снижение износа механических звеньев и увеличению срока службы технологического оборудования вследствие улучшения динамики работы электропривода.

5 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

5.1 Общие положения

Электродвигатель и преобразователь, представляющие собой силовую часть электропривода, являются объектом регулирования в системе автоматического управления. К объекту регулирования относятся также измерительные элементы (датчики), от которых в цепь обратной связи поступает информация о фактических величинах тока, напряжения, ЭДС, магнитного потока, скорости и т.д.

Объект регулирования не способен самостоятельно поддерживать заданные параметры на желаемом уровне при возмущающих воздействиях (изменении нагрузки на валу электродвигателя, колебаниях напряжения питающей сети и др.). Он не может обеспечить необходимые законы изменения параметров в переходных режимах, как, например: изменение скорости с заданным ускорением, ограничение скорости, ускорения, силы тока и интенсивности его нарастания и др. Для компенсации влияния возмущений и управления электроприводом по заданному закону требуется специальное воздействие на объект регулирования. Такое воздействие называется управляющим и вырабатывается автоматическим управляющим устройством (регулятором). Таким образом, САУ состоит из объекта регулирования и регулятора.

Любая замкнутая САУ должна удовлетворять следующим основным требованиям:

· система должна быть устойчивой;

· погрешность в установившемся режиме не должна превышать заданной;

· система должна обеспечивать необходимое качество переходных процессов (быстродействие, величину перерегулирования, число колебаний и др.).

При сложных структурах объекта регулирования, большом числе регулируемых параметров и высоких требованиях к качеству регулирования широкое распространение получили системы подчинённого регулирования с последовательной коррекцией.

5.2 Структура системы управления приводом

Система однозонного регулирования предполагает изменение скорости до номинального значения. Составной её частью является система регулирования, замкнутая по скорости и воздействующая на напряжение статора двигателя.

Система регулирования базируется на двух устройствах - это программируемый логический контроллер (ПЛК) Simatic С7-635К фирмы Siemens и преобразователь частоты Altivar 71производства фирмы Schneider Electric. В ПЛК заложен закон, по которому должен работать двигатель, соответственно он выдает задание на скорость преобразователю частоты, который в свою очередь преобразует полученный сигнал в напряжение, заданной амплитуды и частоты, поступающее на статорную обмотку двигателя.

В преобразователе частоты с помощью параметрирования реализуется система регулирования. Структурно она содержит два контура: внутренний - регулирования тока статора и внешний - регулирования скорости вращения двигателя. Контур регулирования тока статора содержит датчик (измеритель) тока ДТ, регулятор тока РТ, управляющий преобразователем ПЧ, и статорную цепь электродвигателя. Составными частями контура регулирования скорости являются датчик (измеритель) скорости ДС типа ЛИР - 158Д и регулятор скорости РС. Так же в структуре можно выделить блок токоограничения и блок поддержания потокосцепления.

5.3 Обоснование принятой САР

В современных условиях к электроприводам всё больше ужесточаются требования. И использование цифровой системы управления одно из самых новых и интересных решений. Оно позволяет по-новому организовать систему управления. Цифровые регуляторы позволяют быстро изменять параметры системы регулирования, разрабатываются на современных компьютерных системах и легко переводятся из программной среды в среду контроллера. Надо сказать, что цифровые регуляторы значительно точнее аналоговых, и позволяют реализовать сложнейшие алгоритмы (переходы с П- на ПИ- и ПИД- регуляторы, адаптивные регуляторы). Точность регуляторов обуславливается разрядностью контроллера и не сравнимо выше аналоговых регуляторов. Цифровые системы управления имеют малые габариты и постепенно унифицируются. В настоящее время наблюдается тенденция к снижению стоимости таких систем, повышается качество обслуживающих программ и пакетов. Надо заметить, что аналоговые регуляторы используют ёмкость, что является большим недостатком. Это проявляется в надёжности систем, сложностью подбора необходимой ёмкости и больших габаритах конденсаторов.