Проектирование лифта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Подъёмные машины прерывистого режима работы в различных конструктивных исполнениях находят широкое применение во всех отраслях народного хозяйства. К числу наиболее распространённых разновидностей механизмов вертикального транспорта относятся лифты, применение которых в городском хозяйстве и на промышленных предприятиях приобретает всё большее значение.

Лифты являются механизмами вертикального транспорта, предназначенными для транспортировки пассажиров и грузов в жилых, производственных и административных зданиях. Эти установки выполняются с высокой степенью автоматизации. Они отличаются общедоступностью пользования, комфортабельностью и безусловной безопасностью. Все основные операции при открывании и закрывании дверей, передвижении, замедлении и точной остановке кабины лифта осуществляются с помощью электропривода. Причём необходимо установить такую систему электропривода, которая выполняла те высокие требования, которым должны отвечать современные лифты.

Таким образом, в данном курсовом проекте необходимо разработать электропривод лифта с учётом обеспечения всех требований согласно заданию.

1. Анализ и описание системы «электропривод - рабочая машина»

1.1 Количественная оценка вектора состояния или тахограммы требуемого процесса движения

Электропривод лифта получает питание от трёхфазной сети переменного тока c частотой 50 Гц и напряжением 380 В.

Работа лифта заключается в том, чтобы доставить груз на требуемую высоту или спустить груз вниз. Однако, во время вызова лифта на этаж, он движется без груза. Это движение лифт с порожней кабиной может быть как вверх, так и вниз. Таким образом, получаем четыре режима работы лифт:

- подъём кабины с грузом;

- подъём кабины без груза;

- спуск кабины с грузом;

- спуск кабины без груза.

На выходе вала двигателя установлен червячный редуктор, являющийся самотормозящей парой. Поэтому в независимости от направления движения лифта, двигатель будет работать только в двигательном режиме, и статические характеристики привода будут находиться в первом и третьем квадрантах. Кабина лифта имеет противовес, равный массе кабины лифта и половине номинального груза.

Цикл работы лифта состоит из следующих этапов:

- разгон привода до рабочей скорости;

- работа на установившейся рабочей скорости;

- торможение до пониженной скорости;

- работа с пониженной скоростью;

- торможение до нулевой скорости (дотяжка).

За цикл работы, по которому производится выбор двигателя, принимается самый тяжёлый режим работы, т.е. перемещение кабины между двумя этажами с максимальным статическим моментом. Время паузы будем рассчитывать исходя из времени открытия-закрытия дверей и времени входа-выхода пассажиров.

Учитывая выше описанный технологический режим работы лифта, сформулируем требования, которые должен обеспечивать электропривод лифта:

- электропривод лифта должен обеспечивать пониженную скорость, которая рассчитывается исходя из заданной точности останова, чем определяется диапазон регулирования скорости лифта;

- электропривод лифта должен обеспечивать максимальное быстродействие (минимальное время разгона и торможения), что необходимо для обеспечения высокой производительности работы лифта;

- электропривод лифта должен обеспечивать ограничения ускорения и рывка, что связано с комфортабельностью пользования лифтом пассажиров;

- электропривод лифта должен обеспечивать при различных его загрузках одну и ту же рабочую скорость, что связано с производительностью лифта.

- электропривод лифта должен быть реверсивным.

Кроме того, к другим важным требованиям, которые предъявляются к электроприводу лифта, относятся высокая надёжность его работы, обеспечивающая точность реверсирования и связанную с этим чёткую работу аппаратуры управления. Также электропривод должен работать не превышая заданный уровень шума.

С учётом перечисленных выше требований, приходим к заключению, что для обеспечения этих требований необходимо строить замкнутую систему стабилизации скорости

Выбирая ту или иную систему электропривода, следует учитывать её экономичность, т.е. потери энергии за цикл, а также коэффициент мощности. Кроме того, необходимо учитывать и окупаемость тех затрат, которые связаны с созданием привода и его эксплуатацией.

Исходными данными являются:

- V_р = 1,5 м/с - скорость перемещения кабины;

- Н = 45 м - максимальная высота подъёма;

- N = 12 - максимальное количество остановок;

- М = 20 мм - точность остановок;

- G_г = 10 кН - вес груза;

- G_к = 19 кН - вес кабины;

- К₁ = 0,85 - коэффициент загрузки лифта;

- К₂ = 4 - число несущих канатов;

- КПД = 80% - КПД системы;

- i = 21,2 - передаточное число редуктора;

- R = 0,56 м - радиус несущего канатного шкива;

- С = 2,13 • 10⁶ Н•м - жёсткость одного метра каната;

- J_{пр вращ} = 0,25 • J_дв - приведенный момент инерции вращающихся частей.

Электропривод должен обеспечивать кроме нормальной работы режим наладки при скорости 25% от номинальной. Зададимся допустимыми ускорениями и рывком: а_доп = 2 м/с; с_доп = 5 м/с.

Определим время разгона до рабочей скорости:

t_p = V_р / а_доп = 1,5 / 2 = 0,75 с (1.1)

Путь, проходимый за время t_p:

L_p = а_доп • t_p² / 2 = 2•0,75² / 2 = 0,56 м (1.2)

Определим пониженную скорости для обеспечения точности останова:

V_п = v2 • v ?L • а_доп = v2 • v 2 • 0,02 = 0,28 м/с (1.3)

Найдём время перехода привода с рабочей скорости на пониженную скорость:

t_т1 = (V_р-V_п) / а_доп = (1,5-0,28) / 2 = 0,61 с

Путь, проходимый за время t_т1:

L_т1 = V_р• t_т1 - а_доп • t_т1² / 2 = 1,5•0,61 - 2•0,61² / 2 = 0,54 м (1.4)

Время перехода с пониженной скорости до полной остановки (механическое торможение):

t_т2 = V_п / а_доп = 0,28 / 2 = 0,14 с (1.5)

Расстояние, проходимое лифтом на пониженной скорости:

L_п = V_п • t_п = 0,28 • 0,1 = 0,028 м (1.6)

Путь, проходимый лифтом между двумя соседними этажами, определим как:

L = H / N = 45 / 12 = 3,75 м

Примем L = 3,5 м.

Путь, проходимый лифтом за время разгона, перехода на пониженную скорость, работы на пониженной скорости и торможения до полной остановки:

L₀ = L_р + L_т1 + L_п + L_т2 = 0,56 + 0,54 + 0,028 + 0,02 = 1,4 м (1.7)

Найдём путь, проходимый лифтом между двумя соседними этажами с установившейся рабочей скоростью:

L_раб = L - L₀ = 3,5 - 1,4 = 2,1 м (1.8)

Время работы с установившейся рабочей скоростью:

t_уст = L_раб / V_раб = 2,1 / 1,5 = 1,4 с (1.9)

Время остановки (паузы) будем рассчитывать исходя из времени открытия-закрытия дверей и времени входа-выхода пассажиров. Время открытия-закрытия дверей по 0,5 с. Вместимость кабины 4 пассажира. Время входа-выхода одного пассажира 0,5 с. Итого суммарное время паузы получим t_ост=5 с.

Время цикла найдём как:

T_ц=t_{р +} t_уст +t_т1 +t_п +t_т2 +t_ост =0,75+1,4+0,61+0,1+0,14+5=8 с (1.10)

Определим расчётную продолжительность включения:

ПВ_р=(t_р + t_уст +t_т1 + t_п + t_т2)/T_ц=(0,75+1,4+0,61+0,1+0,14)/8=0,375 (1.11)

Из выражения (1.11) следует, что режим работы лифта повторнократковременный. Значит, двигатель будем выбирать номинального режима S3.

1.2 Количественная оценка моментов и сил сопротивления

Нагрузка лифта является потенциальной.

Определим статические моменты для различных режимов работы лифта по общей формуле:

М_{с1 пр} = (G_к + К₁•G_г - G_пр)•10³•R / (з•i), (1.12)

где з - КПД червячного редуктора;

G_пр - вес потивовеса, кН.

Вес потивовеса определим как:

G_пр = G_к + 0,5• G_г = 19 + 0,5•10 = 24 кН

1. Подъём кабины с грузом:

М_{с1 пр}= (G_к + К₁•G_г - G_пр)•10³•R / (з_пр • i) = (19 + 0,85•10 - 24)• 10³• 0,56 / (21,2•0,63) = 147 Н•м

2. Подъём кабины без груза:

М_{с2 пр} = (-G_к + G_пр)•10³•R / (з_обр • i) = (-19 + 24)• 10³• 0,56 / (21,2•0,45) = 293,5 Н•м

3. Спуск кабины с грузом:

М_{с3 пр} =(G_к + К₁•G_г - G_пр)•10³•R / (з_обр • i) = (19 + 0,85•10 - 24)• 10³• 0,56 / (21,2•0,45)= 205 Н•м

4. Спуск кабины без груза:

М_{с4 пр} = (-G_к + G_пр)•10³•R / (з_пр • i) = (-19 + 24)• 10³• 0,56 / (21,2•0,63) = 210 Н•м

Из приведенных расчётов видно, что самым большим моментом является М_{с2 пр}. Следовательно, самым тяжёлым режимом является подъём кабины без груза. По этому режиму и будем выбирать двигатель.

1.3 Составление расчётной схемы механической части электропривода

Для теоретического исследования реальную механическую часть электропривода заменяем динамически эквивалентной приведенной расчётной схемой, состоящей из сосредоточенных инерционных элементов, соединённых между собой упругими связями, и обладающей таким же энергетическим запасом, как и исходная реальная система привода. Параметрами эквивалентной приведенной расчётной схемы являются суммарные приведенные моменты инерции масс, образованные приведенными массами, связи между которыми приняты жёсткими, и эквивалентные приведенные жёсткости механических упругих связей.

Составляем кинематическую схему для случая, когда кабина лифта находится на первом этаже. Тогда получаем двухмассовую консервативную расчётную схему, одна масса который включает в себя кабину лифта с грузом или без груза, а другая всю остальную механическую часть (вместе с противовесом). Жёсткость определим как:

С₁₂ = С / Н • R_пр • К₂, (1.13)

где R_пр - радиус приведения, м.

Радиус приведения найдём по следующей формуле:

R_пр = R / i = 0,56 / 21,2 = 0,0264 м (1.14)

Тогда жёсткость:

С₁₂ = С / Н • R_пр • К₂ = 2,13 • 10⁶ / 45 • 0,0264² • 4 = 132 Н•м

Определение приведенных параметров механической части к валу двигателя осуществляем по следующим выражениям.

Момент инерции первой массы:

J₁ = J_дв + J_вр + J_пр, (1.15)

где J_дв - момент инерции двигателя, кг•м²;

J_вр - приведенный к валу двигателя суммарный момент инерции вращающихся частей, кг•м²;

J_пр - приведенный к валу двигателя момент инерции противовеса, кг•м².

Согласно заданию приведенный к валу двигателя момент инерции вращающихся частей составляет 25% от момента инерции двигателя, т.е. J_вр = 0,25• J_дв.

Момент инерции противовеса:

J_пр = m_пр • R_пр² = G_пр •10³/g • R_пр² = 24•10³ / 10 • 0,0264² = 1,7 кг•м²

Момент инерции второй массы:

J₂ = m_к • R_пр² = G_к •10³/g • R_пр² = 19•10³ / 10 • 0,0264² = 1,3 кг•м²

Определим приведенные к валу двигателя значения точности останова, скоростей, ускорения, пути.

Точность останова:

?ц = ?S / R_пр = 0,02 / 0,0264 = 0,76 рад (1.16)

Рабочая скорость:

w_р = V_р / R_пр = 1,5 / 0,0264 = 56,8 рад/с (1.17)

Пониженная скорость:

w_п = V_п / R_пр = 0,28 / 0,0264 = 10,6 рад/с (1.18)

Допустимое ускорение:

е_доп = а_доп / R_пр = 2 / 0,0264 = 75,7 рад/с² (1.19)

Угол поворота двигателя при перемещении кабины между двумя этажами:

ц = S / R_пр = 3,5 / 0,0264 = 132,6 рад (1.20)

1.4 Построение нагрузочной диаграммы и механической характеристики рабочей машины

Нагрузочная диаграмма механизма представляет собой зависимость приведенного к валу двигателя момента в функции времени за цикл работы.

Из приведенных выше анализа получено, что лифт может работать в четырёх режимах:

- подъём кабины с грузом;

- подъём кабины без груза;

- спуск кабины с грузом;

- спуск кабины без груза.

При этом самым тяжёлым является подъём кабины без груза. По этому режиму и будем выбирать двигатель.

Таким образом, нагрузка является активной и в процессе движения не изменяется (до следующей остановки). По этому описанию строим нагрузочные диаграммы для каждого из режимов.

Механическая характеристика рабочей машины есть зависимость статического момента от скорости рабочего вала. Так как на выходе вала двигателя установлен червячный редуктор, являющийся самотормозящей парой, то механические характеристики привода будут находиться в первом и третьем квадрантах.

Механическая характеристика лифта изображена в приложении Б.

2. Анализ и описание системы «электропривод-сеть» и «электропривод-оператор»

2.1 Анализ и описание системы «электропривод - сеть»

Анализ и описание системы «электропривод - сеть» необходимо проводить для оценки влияния параметров питающей сети на работу электропривода. Стандартами допускаются отклонения напряжения и частоты в заданных пределах, поэтому рассмотрим особенности каждой из систем, которые может быть выбраны в качестве наилучших.

Если в качестве наилучшего из вариантов будет выбран электропривод постоянного тока, то в этом случае важным вопросом является согласование выбора схемы выпрямления с требуемым значением выпрямленного напряжения. Кроме того, при выборе схемы выпрямления необходимо учитывать мощность электропривода, режимы его работы, а также предварительную стоимость. Для обеспечения высоких динамических показателей выпрямитель должен иметь достаточный запас по напряжению. Для согласования сети и выпрямителя устанавливаются токоограничивающие реакторы или согласующий трансформатор. В случае выбора двигателя с номинальным напряжением 440В устанавливаются реакторы. Если двигатель изготовлен на номинальное напряжение 220В, то во избежание работы выпрямителя в зарегулированном режиме, предпочтительнее использовать трансформатор. Если в результате проведения методом экспертных оценок будет выбран в качестве наилучшего варианта асинхронный привод (двигатель), то уменьшение напряжения сети вызовет резкое уменьшение момента критического (при снижении напряжения на 10% момент уменьшится на 19%). Это обстоятельство может привести к остановке двигателя, т.е. к не обеспечению требуемого технологического режима. При увеличении напряжения в сети механическая характеристика привода (двигателя) становится жёстче, вследствие чего при постоянном статическом моменте происходит увеличение скорости, что может противоречить требованиям, предъявляемым рабочим органом к проектируемому электроприводу. Изменение частоты напряжения в сети приводит в разомкнутых системах к изменению заданной скорости вращения, т.е. уменьшению точности системы, а также к нежелательному изменению других показателей регулирования.

2.2 Анализ и описание системы «электропривод - оператор»

Анализ и описание системы «электропривод - оператор» нужен для проектирования схемы управления с той или иной степенью, учёта требований охраны труда и техники безопасности и обеспечения качественного протекания технологических процессов.

Лифт относится к механизмам, работающим всё время в относительно тяжёлых динамических условиях, характеризующихся частыми пусками, остановами, изменениями направления скорости вращения со значительной статической нагрузкой на валу двигателя. В связи с этим требуется разработать схему управления, которая обеспечивала бы автоматический пуск и останов привода, перевод его на пониженную скорость для обеспечения точности останова.

Для выполнения этой задачи в схеме управления нужно использовать кнопки, контакторы, реле времени и путевые датчики. Кроме того, разработанная схема управления должна обеспечивать пассажирам и обслуживающему персоналу безопасную работу и хорошие условия при эксплуатации наладке лифта.

3. Выбор принципиальных решений

3.1 Построение механической части привода

Для упрощения механической части, уменьшения габаритов и потерь, а также осуществления благоприятного динамического режима, следует осуществлять передачу движения от двигателя к рабочему органу как можно более децентрализованным путём и без использования промежуточных звеньев в виде редукторов или других механизмов. Однако обеспечить лифту скорость 1,5 м/с представляет собой значительные трудности, т.к. для этого необходимо изготовить двигатель по спецзаказу. А это обойдётся значительно дороже. Вместе с тем повышение номинальной скорости вращения двигателей уменьшает их массу, габариты, себестоимость, что влияет на технико-экономические показатели лифта в целом.

Поэтому при эксплуатации для согласования скоростей двигателя и нагрузки используют червячный редуктор, являющийся самотормозящей парой. Кроме того, редуктор должен удовлетворять определённым требованиям в отношении габаритов, КПД, люфта, кинематической точности, инерционности, жёсткости и надёжности. Так как лифт является позиционным механизмом, то главным требованием к редуктору является кинематическая точность. Также для реверсивных передач величина бокового зазора должна быть минимальной.

3.2 Выбор типа привода (двигателя) и способа регулирования координат

Основой для выбора типа привода (двигателя) и способа регулирования координат являются требования, предъявляемые механической частью, обеспечиваемые технологические режимы, а также условия эксплуатации.

В данном случае необходимо производить регулирование скорости, которые состоит в переводе электропривода на пониженную скорость. Этим определяется диапазон регулирования:

w_р 56,8

D = - = - = 5,34 (3.1)

w_п 10,6

При этом следует учитывать энергетический аспект выбора способа регулирования скорости. Это значит, что минимальный габарит двигателя и его полное использование по нагреву имеет место тогда, когда способ регулирования скорости по показанию допустимой нагрузки соответствует зависимости нагрузки от скорости.

Так как механическая характеристика механизма является крановой нагрузкой, то целесообразно использовать способ регулирования скорости при постоянном моменте, т.е. регулирование с М_с = const. В случае применения такого способа двигателю обеспечивается наилучший тепловой режим.

Регулирование скорости при постоянном моменте обеспечивают следующие системы:

двигатель постоянного тока с шунтированием якоря.

двигатель постоянного тока с реостатным управлением;

асинхронный двигатель с фазным ротором (АД с ФР);

система генератор - двигатель (Г-Д);

АД с переключением числа параметры полюсов и коробкой передач;

асинхронный двигатель с частотным управлением (АИН-АД);

двигатель постоянного тока с управляемым выпрямителем (УВ-ДПТ).

Системы «двигатель постоянного тока с реостатным управлением» и «двигатель постоянного тока с шунтированием якоря» являются наихудшими способами регулирования с точки зрения обеспечения наилучшего теплового режима. Это объясняется тем, что такой способ регулирования является параметрическим, а значит неполноценным. (не изменяется скорость холостого хода). Система генератор - двигатель является морально устаревшей.

В связи с этим в качестве рассматриваемых вариантов приводов оценим три оставшиеся системы.

3.3 Оценка и сравнение выбранных вариантов

Проделаем сравнительную оценку следующих систем:

АД с переключением числа параметры полюсов и коробкой передач;

асинхронный двигатель с частотным управлением (АИН-АД);

двигатель постоянного тока с управляемым выпрямителем (УВ-ДПТ).

Из нескольких вариантов систем электропривода проведение строгих технико-экономических расчётов не представляется возможным из-за отсутствия требуемых исходных данных. Поэтому воспользуемся приблизительным «методом экспертных оценок». Сравнение предварительных результатов или вариантов решения производится относительно n характеристик системы, путём сравнения определённых значений соответствующих показателей качества q_i. Показатели качества служат для количественной характеристики степени выполнения требований задания на проектирование электропривода, а также других требований рабочей машины. Показатели качества лежат в пределах от 1-цы до 5-ти. На основе этих показателей может быть охарактеризована степень выполнения каждого отдельного требования путём назначения соответствующей оценки.

Выбор варианта в качестве наилучшего зависит от того насколько равноправными являются характеристики системы, т.е. нужно оценить их значимость для выполнения необходимых требований, предъявляемых со стороны рабочего механизма. Для этого вводятся весовые коэффициенты л_i, которые можно охарактеризовать следующим образом:

5 - i-я характеристика системы имеет определяющее значение для достижения поставленной цели;

4 - i-я характеристика системы имеет большое значение;

3 - i-я характеристика системы имеет достаточно важное значение;

2 - i-ю характеристику системы желательно учесть;

1 - i-я характеристика системы является несущественной для выполнения задачи.

Выбор наилучшего решения производится определением взвешенной суммы. Наилучший вариант имеет большую сумму:

S = ? л_i•q_i (3.2)

Для системы АД с переключением числа параметры полюсов и коробкой передач взвешенная сумма:

S = 5•2+5•2+4•3+5•4+5•2+5•5+3•4+4•4+4•5+5•3+4•5 = 170

Для системы АИН - АД взвешенная сумма:

S = 5•5+5•5+4•3+5•4+5•5+5•3+3•2+4•3+4•5+5•5+4•4 = 201

Для системы УВ - ДПТ взвешенная сумма:

S = 5•5+5•5+4•4+5•5+5•5+5•4+3•3+4•4+4•4+5•5+4•4 = 221

Система УВ - ДПТ имеет наибольшую взвешенную сумму. Таким образом, система УВ - ДПТ подлежит дальнейшему расчёту.

4. Расчёт силового электропривода

4.1 Расчёт параметров и выбор двигателя

Расчёт мощности двигателя по нагреву сводится к определению наибольшей температуры перегрева его изоляции Т_max и сравнению её с допустимой Т_доп:

Т_доп >= Т_max (4.1)

Этот метод для практических расчётов либо затруднён из-за сложности построения кривой нагрева двигателя, либо вообще невозможен, что характерно для предварительного этапа выбора двигателя. Поэтому на практике применяют метод средних потерь, считая его относительно точным. Однако в данном случае по причине не знания токов, протекающих по якорной цепи двигателя, использовать этот метод не представляется возможным. В процессе работы постоянные потери двигателя изменяются только при переходе и работе на пониженной скорости. А так как работа на пониженной скорости происходит на малом временном интервале по сравнению с работой на рабочей скорости, то изменением постоянных потерь можно пренебречь. Сопротивления привода и обмотки возбуждения двигателя в течении цикла работы остаются неизменными. Поэтому, принимая во внимания выше принятые допущения, вместо метода средних потерь для оценки нагрева можно использовать метод эквивалентного тока.

Оба последних метода можно использовать для проверки двигателя по нагреву, но для предварительного выбора двигателя ими пользоваться нельзя. Поэтому для предварительного выбора двигателя применим метод эквивалентного момента. Общее выражение метода эквивалентного момента определяется как:

 ? М_i² • t_i

Мн >= М_э = ---------------------------- (4.2)

в_п•t_п + в_т•t_т + в_о•t_о + t_р

Для обеспечения требуемого технологического режима лифта необходимо выбрать двигатель с достаточно большим пусковым моментом, частыми пусками и реверсами. Такие характеристики имеют двигатели краново-металлургической серии номинального режима S3.

Согласно методу экспертных оценок наилучшими технико-экономическими показателями обладает система УВ-ДПТ. Поэтому по заданным критериям будем выбирать двигатель серии Д. Двигатели этой серии имеют независимую вентиляцию, в связи с чем все коэффициенты ухудшения охлаждения будут иметь значение равное 1-це. Расчёт эквивалентного момента проводим для повторно-кратковременного режима работы.

В соответствие с тахограммой и нагрузочной диаграммой подставляем в выражение (4.2) статических нагрузок и соответствующие им промежутки времени, а также приняв в равным 1-це, получим:

М_с2² • (t_{р +} t_уст + t_т1 + t_п + t_т2)

М_э= ------------------------------------ (4.3)

Т_ц - t_ост

Определим эквивалентную мощность:

Р_э = k • М_{э ст} • w_{н дв}, (4.5)

где w_{н дв} - номинальная скорость двигателя, рад/с.

Р_э = k • М_{э ст} • w_{н дв} = 1,1 • 285 • 68 = 21318 Вт (4.6)

Выбираем двигатель из условия:

Р_{н дв} >= Р_э = 21318 Вт (4.7)

Двигатель, выбранный по условию (4.7), приведен в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Технические данные выбранного двигателя

Тип Двигателя	Рн, кВт	Iн, А	n об/мин	Мmax Н•м	Uн В	J кг•м2
Д806	22	116	650	981	220	1

Проверим выбранный двигатель по перегрузочной способности, т.е. должно соблюдаться условие:

М_{дв max} >= М_{с max}, (4.8)

где М_{дв max} - максимальное значение момента, которое способен развить двигатель, Н•м;

М_{с max} - максимальное значение момента нагрузки в течение рабочего цикла, Н•м.

Выбранный двигатель в течение 10 с может работать с нагрузкой, втрое превышающую номинальную, т.е. М_{дв max} = 3•М_н. Номинальный момент двигателя найдём из выражения:

Р_н 22000

М_н = - = ----- = 324 Н•м (4.9)

w_н 68

Получаем: М_{дв max} = 3 • 324 = 972 Н•м. Максимальное значение момента нагрузки при работе лифт режиме «Подъём кабины без груза»: М_с2 = 294 Н•м, на основании чего можно сделать заключение о выполнении условия (4.8).

Проверим выбранный двигатель по условиям пуска:

М_{дв п} >= М_{с п}, (4.10)

где М_{дв п} - значение пускового момента двигателя, Н•м;

М_{с п} - статический момент нагрузки на валу двигателя во время пуска, Н•м.

Пусковой момент двигателя равен М_п = М_{дв max}=3•324 = 972 Н•м. Статический момент нагрузки на валу двигателя во время пуска М_{с п} = М_с2 = 294 Н•м. Значит, выбранный двигатель удовлетворяет условиям пуска.

Так как работает в достаточно тяжёлом режиме, характеризующимся частыми пусками, остановами, изменением направления вращения, то возникает необходимость проверить двигатель по допустимому числу включений в час. Согласно паспортным данным двигатель имеет допустимое число включений в час - 2000. Рабочий механизм за цикл работы (Т_ц = 8 с) требует останова 1 раз. Тогда реальное число включений в час составит:

1 1

N = - • 3600 = - • 3600 = 450 (4.11)

Т_ц 8

Из выражения (4.11) видно, что максимальное число включений двигателя в час 450 раз. Исходя из этого приходим к выводу, что выбранный двигатель обеспечивает требуемое рабочим механизмом число включений в час.

Зная момент инерции двигателя, определим момент инерции первой массы по формуле (1.15):

J₁ = J_дв + J_вр + J_пр,

где J_дв - момент инерции двигателя, кг•м²;

J_вр - приведенный к валу двигателя суммарный момент инерции вращающихся частей, кг•м²;

J_пр - приведенный к валу двигателя момент инерции противовеса, кг•м².

Подставляя численные значения, получаем:

J₁ = J_дв + J_вр + J_пр = 1 + 0,25 + 1,7 = 2,95 кг•м²

4.2 Расчёт параметров и выбор силового преобразователя

В соответствие с методом экспертных оценок в качестве выбранной системы электропривода лифта используем двигатель постоянного тока с управляемым выпрямителем. Регулирование скорости (т.е. переход на пониженную скорость) осуществляем изменением напряжения, подводимого к якорю двигателя.

Согласно условиям технологического режима в процессе работы необходимо изменять направление вращения двигателя лифта, то устанавливаем реверсивный привод. Кроме изменения направления вращения двигателя лифта, это даст возможность осуществлять торможение путём рекуперации энергии в сеть, т.е. использовать самый экономичный способ электрического торможения. Для уменьшения мощности силового оборудования выбираем управляемый выпрямитель с трёхфазной мостовой схемой. Выбор тиристорного преобразователя должен производиться по следующим критериям:

I_н >= I_{н дв}; U_dн > U_{н дв}.

Согласно вышеприведенным условиям, выбираем тиристорный преобразователь, входящий в состав комплектного тиристорного электропривода серии КТЭУ и имеет следующие номинальные параметры:

I_н = 200 А;

U_dн = 230 В.

5. Расчёт статических механических и электромеханических характеристик привода

Рассчитаем номинальные параметры двигателя.

По причине отсутствия в справочных данных на двигатель сопротивлений R_я, R_дп, R_ко оп-ределим суммарное сопротивление якоря в нагретом состоянии из условия, что в ДПТ с независимым возбуждением переменные потери приблизительно составляют 50% от полных потерь:

тахограмма электропривод сопротивление

Uн

R_я? = в • (1-з_н) • - (5.1)

Iн

Номинальное КПД определим следующим образом:

з_н = Рн / (Uн • Iн) =22000 / (220 • 116) = 0,86 (5.2)

По (5.1) определим сопротивление якоря:

Uн 220

R_я? = в • (1-з_н) • - = 0,5 • (1 - 0,86) • - = 0,13 Ом (5.3)

Iн 116

Номинальная угловая скорость:

w_н = (р • n_н) / 30 = (р • 650) / 30 = 68 рад/с (5.4)

Определим момент номинальный на валу двигателя:

Mн = Рн / w_н = 22000 / 68 = 324 Н • м (5.5)

Номинальный коэффициент ЭДС двигателя:

Uн - Iн • R_я? 220 - 116 • 0,13

Сe = --------- = ------------- = 3,01 В•с / рад (5.6)

w_н 68

Найдём коэффициент связи между Мн и током якоря Iн:

См = Мн / Iн = 324 / 116 = 2,79 В • с / рад (5.7)

Естественная статическая механическая характеристика имеет вид:

Uн R_я?

w = --- M • ---- -- (5.8)

Ce Ce•См

Так как механическая характеристика привода отличается от механической характеристики двигателя, то перейдём к построению характеристики привода. Общий вид статической механической характеристики системы УВ - ДПТ в режиме непрерывных токов следующий:

Edo • cosб - ДUв Rо

w = --------------- M • - ----- (5.9)

Ce Ce•См

Из выражения (5.9) видно, что для построения статической механической характеристики привода в режиме непрерывных токов необходимо определить максимальное выпрямленное напряжение на выходе УВ, угол управления тиристорами б для обеспечения различных скоростей для различных статических моментов и суммарное сопротивлении привода с учётом сопротивления коммутации Rк.

Определим какое значение пониженного напряжения нужно обдавать на якорь двигателя для получения рабочей скорости при различных загрузках.

R_я?

U_k = w_р • Ce + М_k • -----

Cм

В результате подстановки численных значений и вычислений получили следующие характеристики:

при М_{с пр1} = 147 Н•м для w_р=56,8 рад/с: U₁ = 178 В;

при М_{с пр2} = 294 Н•м для w_р=56,8 рад/с: U₂ = 185 В;

при М_{с пр3} = 205 Н•м для w_р=56,8 рад/с: U₃ = 180,5 В;

при М_{с пр4} = 210 Н•м для w_р=56,8 рад/с: U₄ = 180,7 В.

Из расчетов видно, что максимальное напряжение нужно подавать при работе с момент статическим М_{с пр2} = 294 Н•м. Так как выбранный двигатель имеет номинальное напряжение 220В, то для исключения работы управляемого выпрямителя в зарегулированном режиме устанавливаем на входе преобразователя согласующий трансформатор. По этому режиму и будем рассчитывать выбирать трансформатор.

Найдём максимальное выпрямленное напряжение на выходе УВ:

Edo = k_з • U₂ = 1,1 • 185 = 203,5 В (5.10)

где k_з - коэффициент запаса по напряжению.

Определим предварительное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора:

 Edo 203,5

U_2л = ---------------- = ---------------- = 150,6 В

v2 • (m/р) • sin (р/m) v2 • (6/р) • sin (р/6)

Ток при максимальной загрузке распределителя определим следующим образом:

I₂ = М_с2 / С_м = 294 / 2,79 = 105,4 А (5.11)

Ток вторичной обмотки:

I_2т = v2/3 • I₂ • k_i = v2/3 • 105,4 • 1,1 = 95 А (5.12)

где I₂ - ток при максимальной загрузке распределителя, А;

k_i - коэффициент непрямоугольности тока.

Исходя из следующих условий выбираем трансформатор:

U_{2л н} >= U_2л = 150,6 В; I_{2т н} >= I_2т = 95 А.

Номинальные данные выбранного трансформатора представлены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Номинальные данные выбранного трансформатора

Тип Трансформатора	Номинальныая мощность, кВ • А	U1л н, В	U2л н, В	I2т н, А	Ркз, Вт	Uкз, %
ТСП-63/0,7 - УХЛ4	58	380	205	164	1900	5,5

Активное сопротивление фазы трансформатора:

Pкз 1900

Rт = ------ = ------------ = 0,0235 Ом (5.13)

m • I²_{2т н} 3 • 164²

Полное сопротивление фазы трансформатора:

z_т = (U_{2ф н} / I_{2т н}) • (Uк / 100), (5.14)

где U_{2ф н} - номинальное фазное значение напряжения вторичной обмотки, В.

U_{2ф н} = U_{2л н} / v3 = 205 / v3 = 118,4 В (5.15)

z_т = (U_{2ф н} / I_{2т н}) • (Uк / 100) = (118,4 / 164) • (5,5/ 100) = 0,04 Ом (5.16)

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора:

X_L = v z_т² - R_т² = v 0,04² - 0,0235² = 0,032 Ом (5.17)

Индуктивность фазы трансформатора:

Lт = X_L / (2 • р • f) = 0,032 / (2 • 3,14 • 50) = 0,0001 Гн = 0,1 мГн (5.18)

С учётом выбора трансформатора определим максимальное выпрямленное напряжение на выходе УВ:

E_do = v2 • U_2л • (m/р) • sin (р/m) = v2 •205 • (6/р) • sin (р/6) = 276,8 В (5.19)

Находим суммарное сопротивление привода:

Ro = R_я? + 2 Rт + R_ком + R_сд (5.20)

Сопротивление коммутации определим как:

 m • X_L 6 • 0,032

R_ком = ------------ = -------- = 0,03 Ом (5.21)

2 • р 2 • р

Для выявления необходимости установки дросселя с целью ограничения пульсаций тока на коллекторе определим реальный уровень пульсаций тока на коллекторе по следующему выражению:

e_e • Edo

i_e = ------------------ , (5.22)

Iн • w_o • (Lя + 2•Lт)

где e_e - коэффициент (для мостовых схем принимается равным 0,24).

Индуктивность обмотки якоря определим из формулы Ленвиля-Уманского:

г • Uн 0,25 • 220

Lя = --------- = -------------- = 0,0035 Гн (5.23)

Iн • w_о • p_• 116 • 68 • 2

где г - коэффициент для двигателей, имеющих компенсационную обмотку.

Определим значение i_e:

e_e • Edo 0,24 • 276,8

i_e = ------------- = -------------------------- = 0,08 = 8 (5.24)

Iн • w_o • (Lя + 2•Lт) 116 • 2•р•50•6 • (0,0035 + 2•0,1•10^-3)

Так как i_e < 10%, то сглаживающий дроссель для ограничения пульсаций тока на коллекторе не нужен. В связи с этим принимаем R_сд = 0.

Найдём значение Ro:

Ro = R_я? + 2 Rт + R_ком + R_сд = 0,13 + 2 • 0,0235 + 0,03 = 0,207 Ом (5.25)

Определим угол управления б при различных приведенных загрузках М_сi для рабочей скорости (w_р=56,8 рад / с):

w_p•Ce + М_сi•Ro/Cм + ДUв

б_i = arccos ------------------ (5.26)

Edo

Для М_с1 = 147 Н•м угол управления:

w_p•Ce + М_с1•Ro/Cм + ДUв 56,8•3,01 + 147•0,207/2,79 + 2

б₁=arccos-=arccos-=48^о

Edo 276,8 (5.27)

Углы управления для обеспечения пониженной скорости определим по формуле (5.26) с заменой рабочей скорости на требуемую пониженную (w_п = 10,6 рад / с). Так для М_с1 = 147 Н•м угол управления:

w_п•Ce + М_с1•Ro/Cм + ДUв 10,6•3,01 + 147•0,207/2,79 + 2

б_1п = arccos ------------------------ = arccos ---------------------------- = 81^о

Edo 276,8

Рассчитанные по выражению (5.26) углы управления б для рабочей и пониженной скорости с различными статическими моментами приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Расчёт углов управления б

Мсi, Н•м wi, рад/с	147	294	205	210
56,8	48 о	45 о	47,2 о	47 о
10,6	81 о	78 о	79,8 о	79,7 о

Определим токи I_{d грi}, моменты М_{d грi} и скорости w_{d грi} в режиме граничных токов для различных углов б:

Edo • sin б_i

I_{d грi} = --------------- • (1 - р/m • сtg (р/m)) (5.29)

2•X_L + 2•р•f_c•Lя

М_{d грi} = Cм • I_{d грi} (5.30)

Edo • cosб_i - ДUв Rо

w_{d гр i} = ------------- M_{d гр i} • ---------- (5.31)

Ce Ce•См

Рассчитанные значения граничных токов, моментов и соответствующих им угловых скоростей для рабочей и пониженной скорости с различными статическими моментами (с разными углами управления б приведены в таблице 5.3

Таблица 5.3 - Расчёт значений граничных токов, моментов и скоростей для различных углов б

Угол управления б, о	Граничный ток Id гр i, А	Граничный момент Md гр i, Н•м	Граничная скорость wd гр i, рад/с
48 о	15,79	44,06	59,34
45 о	15,01	41,88	63,01
47,2 о	15,49	43,23	60,79
47 о	15,47	43,15	61,91
81 о	20,85	58,17	12,79
78 о	20,69	57,74	16,42
79,8 о	20,79	58,01	14,22
79,7 о	20,78	57,99	14,35

Из таблицы 5.3 видно, что на пониженной скорости максимальный момент, развиваемый двигателем, M_{d гр} = 58,17 Н•м. В свою очередь минимальный статический момент, который нужно преодолеть лифту, составляет М_с1 = 147 Н•м. Поэтому для ограничения зоны прерывистых токов сглаживающий дроссель устанавливать не требуется.

Рассчитаем токи I_чi, противо ЭДС E_чi, моменты М_чi и скорости w_чi в режиме прерывистых токов для различных углов б:

m Edo

I_чi = -- • --------- • sin(ч/2)•sin(ч/2-р/m+б)•[1-ч/2•ctg (ч/2)] (5.32)

р 2•X_L + 2•р•f_c•L

Edo

E_чi = - • [sin (ч/2 - р/m+б_i) - sin (б_i - р/m)] - ДUв - Ro•Iя (5.33)

ч

М_чi = См • I_чi (5.34)

w_чi = E_чi / Сe (5.35)

Подставляя в формулы (3.42) - (3.45) различные значения длительности протекания тока ч, для фиксированных углов управления тиристорами б определим токи I_чi, противо ЭДС E_чi, моменты М_чi и скорости w_чi в режиме прерывистых токов.

Таблица 5.4 - Расчёт режима прерывистых токов

Расчёт для рабочей скорости (wр = 56,8 рад/с)
б1 = 48о
Ч	Iчi	Мчi	Ечi	wчi
0.20	0.06088	0.170	250.96	83.38
0.40	0.59347	1.656	237.29	78.83
0.60	2.33526	6.515	220.36	73.21
0.80	6.24746	17.430	200.34	66.56
1.00	13.42441	37.454	177.42	58.94
б1 = 45о
Ч	Iчi	Eчi	Мчi	wчi
0.20	0.05355	0.149	256.44	85.20
0.40	0.53767	1.500	244.05	81.08
0.60	2.15873	6.023	228.31	75.85
0.80	5.86168	16.354	209.37	69.56
1.00	12.74273	35.552	187.4	62.26
б1 = 47,2о
Ч	Iчi	Eчi	Мчi	wчi
0.20	0.05894	0.164	252.49	83.88
0.40	0.57875	1.615	239.15	79.45
0.60	2.28879	6.386	222.54	73.93
0.80	6.14621	17.148	202.80	67.38
1.00	13.24615	36.957	180.13	59.85
б1 = 47о
ч	Iчi	Eчi	Мчi	wчi
0.20	0.05846	0.163	252.87	84.01
0.40	0.57505	1.604	239.61	79.61
0.60	2.27711	6.353	223.08	74.1
0.80	6.12072	17.077	203.41	67.58
1.00	13.20118	36.831	180.81	60.07
Расчёт для пониженной скорости (wп = 10,6 рад/с)
б1 = 81о
ч	Iчi	Eчi	Мчi	wчi
0.20	0.12650	0.353	149.57	49.69
0.40	1.06999	2.985	124.91	41.50
0.60	3.76227	10.497	98.53	32.73
0.80	9.16510	25.571	70.75	23.51
1.00	18.16119	50.670	41.93	13.93
б1 = 78о
ч	Iчi	Eчi	Мчi	wчi
0.20	0.12198	0.340	161.46	53.64
0.40	1.03932	2.900	137.51	45.68
0.60	3.67831	10.262	111.66	37.10
0.80	9.01426	25.150	84.2	27.98
1.00	17.96268	50.116	55.57	18.46
б1 = 79,8о
ч	Iчi	Eчi	Мчi	wчi
0.20	0.12473	0.348	154.38	51.29
0.40	1.05807	2.952	129.99	43.19
0.60	3.72991	10.406	103.82	34.49
0.80	9.10776	25.411	76.17	25.31
1.00	18.08773	50.465	47.41	15.75
б1 = 79,7о
ч	Iчi	Eчi	Мчi	wчi
0.20	0.12458	0.348	154.77	51.42
0.40	1.05705	2.949	130.42	43.33
0.60	3.72714	10.399	104.26	34.64
0.80	9.10280	25.397	76.62	25.45
1.00	18.08125	50.447	47.86	15.90

6. Расчёт переходных процессов в электроприводе за цикл
работы

Чтобы рассчитать переходных процессов за цикл работы, представим электропривод как электромеханическую систему в виде последовательно соединённых между собой звеньев. Это означает, что каждый элемент, входящий в электропривод, опишем ему соответствующим звеном.

Для ограничения рывка нужно плавно задавать скорость, т.е. напряжение задания должно изменяться до установившейся величины по определённому закону. Для этого на входе системы устанавливаем задатчик интенсивности, который описывается интегрирующем звеном и имеет передаточную функцию в виде:

1

W(p) = -, (6.1)

T_и•p

где T_и - постоянная времени интегрирующего звена, с.

Постоянную времени интегрирующего звена определим исходя из времени, в течении которого напряжение задания должно достигнуть установившегося значения. В свою очередь напряжение задания достигнет установившегося значения, когда ускорение будет постоянным. Отсюда находим постоянную времени T_и.

а_доп

T_и = ---, (6.2)

r_доп

где а_доп - допустимое ускорение, м\с²;

r_доп - допустимый рывок, м\с³.

 а_доп 2

T_и = --- = ---- = 0,4 с

r_доп 5

Для того, чтобы проектируемый электропривод мог обеспечивать максимальное быстродействие при ограничении ускорения и рывка, необходимый диапазон регулирования для обеспечения заданной точности останова, а также при различных загрузках лифта иметь одну и ту же рабочую скорость, необходимо строить замкнутую систему стабилизации скорости. При этом для стабилизации скорости регулятор скорости при настройке контура скорости на симметричный оптимум, а для достижения максимального быстродействия при минимальном перерегулировании и ограничения ускорения нужно рассчитать регулятор тока и настроить контур тока на модульный оптимум.

Управляемый выпрямитель описывается апериодическим звеном первого порядка, коэффициент передачи которого K_тп, постоянная времени Т_тп. Двигатель также представляет собой инерционное звено. Датчик тока и датчик скорости описываются безинерционными звеньями.

Выясним можно ли пренебречь упругими звеньями кинематических звеньев, чтобы принять расчётную схему механической части одномассовой.

В случае одномассовой расчётной схемы должно соблюдаться условие:

J₁ • J₂

t_{рег жел} >= 40• р ------- , (6.3)

C (J₁ + J₂)

где t_{рег жел} - желаемое время регулирования, с;

J₁ - приведенный момент инерции первой массы, кг•м²;

J₂ - приведенный момент инерции второй массы, кг•м²;

С - приведенная жёсткость, Н•м.

Подставляем в формулу (6.3) численные значения:

J₁ • J₂ 2,95•1,3

t_{рег жел} >= 40• р ------- = 40• р ---------- = 10,4 с

C (J₁ + J₂) 132 • (2,95+1,3)

Из первого пункта расчётов получили, что желаемое время регулирования t_{рег жел} = 0,75 с. Значит, условие (6.3) не выполняется. Поэтому принимаем расчётную схему механической части двухмассовой консервативной и проводим расчёт для этой системы. Расчётная схема механической части включает три интегрирующих звена и имеет две обратные связи: по скорости и по моменту.

Для расчёта параметров регулятора тока нужно записать желаемую передаточную функцию разомкнутого контура тока и приравнять её к передаточной функции реальной передаточной функции разомкнутой системы, умноженной на передаточную функцию регулятора тока. В результате преобразований найдём передаточную функцию регулятора тока:

T_оp + 1

W(p)_рт = ----------------, (6.4)

a₁T_мp k_тпk_от / R_о

где T_м - некомпенсируемая постоянная времени (T_м = T_тп), с;

а₁ - коэффициент демпфирования по току (для модульного оптимума принимается а₁=2);

k_тп - коэффициент передачи управляемого выпрямителя;

k_от - коэффициент обратной связи по току, В/А;

R_о - суммарное сопротивление привода, Ом;

T_о - постоянная времени привода, с.

При расчёте контура скорости передаточная функция контура тока представляет собой:

1 / k_oт

W(p) = ---------------- (6.5)

a₁T_м²p² + a₁T_мp + 1

Так как член a₁T_м²p² мал по сравнению с a₁T_мp, то при расчёте регулятора скорости учитывать его не будем. После преобразований передаточная функция регулятора скорости имеет вид:

J • k_от 8 T_мp + 1

W(p)_рс = ------ • ---------, (6.6)

Cм • k_ос 4T_м • 8 T_мp

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

k_ос - коэффициент обратной связи по скорости, В•с/рад.

Таким образом, в результате расчёта системы получили ПИ-регулятор тока и ПИ-регулятор скорости.

Структурная схема замкнутой системы стабилизации скорости представлена в приложении В.

Рассчитаем параметры системы.

Коэффициент передачи тиристорного преобразователя:

k_тп = E_do / Uy = 276,8 / 10 = 27,68 (6.7)

Рассчитаем коэффициенты обратных связей по току и скорости.

Коэффициент обратной связи по току:

k_от = U_{зт max} / I_max = 10 / (3 • 168) = 0,0287 В/А (6.8)

Коэффициент обратной связи по скорости:

k_ос = U_{зс max} / w_p =10 / 56,8 = 0,176 В•с/рад (6.9)

Сопротивление привода: R_o = 0,27 Ом.

Постоянная времени находится так:

Lя + 2 • L_Т 0,0035 + 2 • 0,1 • 10^-3

T_o = ------- = -------------------- = 0,018 с (6.10)

Rо 0,207

Коэффициент связи тока и момента двигателя на валу: См = 2,79 В•с/рад.

Составляем детализированную структурную схему астатической системы УВ-ДПТ с учетом типовых нелинейностей для регуляторов системы управления. Затем на основании полученной структурной схемы системы составляем программную модель электропривода. Разработанную математическую модель электропривода для дальнейшего экспериментального исследования преобразовываем в программную модель на языке программирования Turbo Pascal 7.0 в системе моделирования Runge_4.

Математическая модель системы приведена ниже:

iz (Uz, a[1], dx[1]);

if ABS (x[1])<10 then x[10]:=x[1];

if x[1]>10 then x[10]:=10;

if x[1]<-10 then x[10]:=-10;

pir (x[10], x[11], a[2], a[3], dx[2], x[2], x[12]); x[11]:=x[6]*a[16];

pir (x[12], x[13], a[4], a[5], dx[3], x[3], x[14]); x[13]:=x[5]*a[15];

az (x[14], a[6], a[7], dx[4], x[4]);