Разработка системы управления электроприводом лифта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Сегодня уже трудно представить себе украинский город без работающего вертикального транспорта. Для огромного количества людей нормальная работа лифтового хозяйства является синонимом нормальной жизни. Качественная работа лифтов и подъемных механизмов и их надежность остается одним из ключевых аспектов в деле обеспечения безопасности жилых и общественных зданий, поэтому необходимо непрерывное развитие и модернизация лифтового оборудования.

Лифт - механизм вертикального транспорта, предназначенный для транспортировки пассажиров и грузов в жилых и производственных помещениях. Широкое распространение использования лифтового электропривода в промышленности и в повседневной жизни, определяет лифт как наиболее распространенный вид вертикального транспорта.

Наблюдаемая в последнее время тенденция к повышению этажности зданий в городах, а также к комфорту передвижения в лифтах ведёт к усложнению систем управления процессом передвижения. Благодаря развитию современных микропроцессорных систем управления данные задачи успешно решаются в настоящее время.

Современный лифт - это сложное электромеханическое устройство, работающее в полуавтоматическом режиме по установленной программе. Программа работы лифта определяется дейтсвиями пассажиров, местонахождением и положением (свободна или занята) кабины и регламентируется при помощи системы управления лифтом.

Система управления лифтом должна решать задачи безопасного и комфортного передвижения пасажиров. Передвижение должно осуществяться с допустимым ускорением, требуемой скоростью и отсутствие ощутимых рывков. Для выполнения приведённых требований необходимо получать информацию о положении и скорости движения кабины с помощью различных датчиков.

Большое внимание необходимо уделить вопросу безопасности передвижения в случаях пожаров и землетрясений, обрыва канатов, срабатывания ловителей.

Современные тенденции развития электропривода лебёдки и лифтового оборудования направлены в сторону отказа от машинного помещения и создания автономной конструкции лифта. То есть, лифт содержит в себе все механизмы передвижения, включая лебёдку.

Также следует отметить немаловажную роль способности системы управления остановить кабину с точностью на заданном уровне.

В настоящее время в нашей стране стоит проблема замены устаревшего лифтового оборудования. Замены редукторного электропривода с релейно-контакторной системой управления. Целесообразно использовать существующего шахтного оборудования и проводки, произвести замену лишь системы управления и приводные механизмы дверей и лебёдки лифта.

Также следует обратить внимание на использование системы управления не только для модернизации существующего лифтового оборудования, но и использование в новом строительстве.

В данном курсовом проекте будет разработана наиболее оптимальная система управления электроприводом лифта.

1. Теоретическая часть

1.1 Общие положения

Электроприводом называется электромеханическая система, предназначенная для приведения в движение рабочих органов машин и механизмов и управления их технологическим процессом, состоящая из электродвигателя, преобразовательного устройства, устройства управления и передаточного устройства.

Функциональная схема автоматизированного электропривода представлена на рис. 1.1

Рисунок 1.1 - функциональная схема автоматизированного электропривода

На рис. 1.1 приняты следующие обозначения

ПрУ - преобразовательное устройство;

СПУ - силовое преобразовательное устройство;

ИСУ - информационная система управления;

ЭМП - электромеханический преобразователь;

РД - ротор двигателя;

ПУ - передаточное устройство;

ИМ - рабочий орган исполнительного механизма;

ЗУ - задающие устройства;

ДОС - датчики обратной связи.

Как следует из определения понятия «Электропривод», так и из его функциональной схемы электропривод состоит из четырех основных частей:

- электрического двигателя;

- силового преобразовательного устройства;

- передаточного устройства;

- системы управления.

Вначале рассмотрим коротко составные части электропривода.

Электрические двигатели предназначены для преобразования электрической энергии в механическую. На рис. 1.1 электрический двигатель состоит из двух частей: электромеханического преобразователя энергии ЭМП, преобразующего электрическую энергию в электромагнитную, и ротора двигателя РД, в котором электромагнитная энергия преобразуется в механическую. Двигатель развивает момент M на валу ротора, который вращается с угловой скоростью щ.

По роду потребляемого тока электрические машины делятся на:

- двигатели постоянного тока;

- двигатели переменного тока.

Различают следующие электродвигатели постоянного тока:

- независимого возбуждения;

- параллельного возбуждения;

- последовательного возбуждения;

- смешанного возбуждения;

- с возбуждением от постоянных магнитов;

- с полым немагнитным якорем;

- с печатным якорем;

- с полупроводниковым коммутатором;

- магнитогидродинамические электродвигатели и т.д.

Электроприводы переменного тока могут быть реализованы на базе следующих электродвигателей:

- асинхронных с короткозамкнутым ротором;

- асинхронных с фазным ротором;

- синхронных с независимым возбуждением;

- синхронных с постоянными магнитами;

- однофазных асинхронных двигателей;

- двойного питания;

- реактивных синхронных;

- синхронных гистерезисных;

- редукторных;

- линейных;

- коллекторных переменного тока;

- электровибрационных;

- емкостных и т.д.

Силовые преобразовательные устройства СПУ могут быть выполнены на базе следующих устройств:

- электромашинных преобразователей;

- электромагнитных преобразователей;

- полупроводниковых преобразователей.

Передаточные устройства ПУ предназначены для передачи механической энергии от электродвигателя к исполнительному механизму ИМ и согласования вида и характера движения электродвигателя и рабочего органа исполнительного механизма. Наиболее характерные типы передаточных устройств:

- редукторы;

- цепные передачи;

- ременные передачи;

- планетарные системы;

- кулисные механизмы;

- шарико-винтовая передача;

- электромагнитные муфты скольжения и т.д.

Системы управления электропривода представляют собой совокупность управляющих и информационных систем, предназначенных для управления электроприводом с целью обеспечения заданного движения рабочего органа исполнительного механизма. Принципиально системы управления различаются по уровню основных функций, которые они выполняют:

- пуск, реверс, торможение, а также поддержание угловой скорости с невысокой точностью в статике и динамике. Такую функцию выполняют разомкнутые релейно-контакторные системы управления электроприводов постоянного и переменного тока;

- поддержание скорости с высокой точностью в статике, а так же формирование требуемых переходных процессов. Такую функцию выполняют системы «преобразователь - двигатель» с различными обратными связями, например, по скорости, току двигателя, напряжению преобразователя;

- слежение за любыми, произвольно изменяемыми входными воздействиями. Эту функцию выполняют следящие системы;

- отработка заданной программы. Такую функцию выполняют системы программного управления;

- выбор оптимальных режимов работы. Эту функцию выполняют адаптивные системы управления - автоматически изменяющие свою структуру или параметры системы управления с целью, например, выработки оптимальных режимов работы.

Выбор системы управления определяется как технологическим процессом, так и технико-экономическими обоснованиями.

1.2 Современный автоматизированный электропривод и тенденции его развития

Современный автоматизированный электропривод практически полностью отвечает требованиям промышленности, сельского хозяйства и науки по требуемой мощности, диапазону регулирования скорости и плавности ее регулирования.

Пределы мощности используемых машин в электроприводах весьма широки - от десятков тысяч киловатт до долей ватт.

В 70-е годы ХХ века разработаны и в некоторых случаях выпускаются до настоящего времени в промышленных масштабах станочные электрические приводы постоянного тока с транзисторными и тиристорными преобразователями с диапазоном регулирования скорости до 1: (10000 - 30000) и более.

В настоящее время основная цель серийно выпускаемых и вновь разрабатываемых электроприводов направлена в первую очередь на увеличение их надежности, уменьшение массогабаритных показателей, стоимости и эксплуатационных расходов. Основные разработки современных электроприводов проводятся на базе электрических машин переменного тока.

Новые системы электроприводов переменного тока получили распространение в связи с дальнейшим развитием микропроцессорной техники и силовой полупроводниковой техники на полностью управляемых тиристорах (GTO) и новых поколений транзисторов, прежде всего биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и МДП-транзисторов с индуцированным каналом (MOSFET).

На современной элементной базе получили возможность реализации следующие системы электроприводов:

- для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором - системы фазового управления (регулирование угловой скорости изменением напряжения), частотное регулирование (непосредственный преобразователь частоты, автономный инвертор напряжения, автономный инвертор тока), частотно-токовое управление;

- для асинхронного двигателя с фазным ротором - фазовое управление, частотное управление в режиме машины двойного питания, каскадные схемы, системы с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора;

- для синхронных двигателей - частотное управление, частотно-токовое управление, вентильный электропривод.

Для регулируемого электропривода переменного тока появилась необходимость разработки специальных конструкций электрических машин переменного тока для регулирования угловой скорости, отличающихся от серийно выпускаемых асинхронных и синхронных двигателей предназначенных для работы с постоянной скоростью. Это становится необходимым, в основном, из-за перегрева машин на угловых скоростях отличных от номинальной скорости. Комплектные электро-привода должны гарантированно обеспечивать работу в заданном диапазоне скоростей без перегрева двигателя и преобразователя.

1.3 Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока используются в прецизионных приводах, требующих плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне.

Свойства двигателя постоянного тока, так же как и генераторов, определяются способом возбуждения и схемой включения обмоток возбуждения. По способу возбуждения можно разделить двигатели постоянного тока на двигатели с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением.

Двигатели с электромагнитным возбуждением подразделяются на двигатели с параллельным, последовательным, смешанным и независимым возбуждением.

Электрические машины постоянного тока обратимы, то есть, возможна их работа в качестве двигателей или генераторов.

Например, если в системе управления с использованием генератора в обратной связи отсоединить генератор от первичного двигателя и подвести напряжение к обмоткам якоря и возбуждения, то якорь начнет вращаться и машина будет работать как двигатель постоянного тока, преобразуя электрическую энергию в механическую. Двигатели независимого возбуждения наиболее полно удовлетворяют основным требованиям к исполнительным двигателям самоторможение двигателя при снятии сигнала управления, широкий диапазон регулирования частоты вращения, линейность механических и регулировочных характеристик, устойчивость работы во всем диапазоне вращения, малая мощность управления, высокое быстродействие, малые габариты и масса.

Однако двигатели постоянного тока имеют существенные недостатки, накладывающие ограничение на область их применения малый срок службы щеточного устройства из-за наличия скользящего контакта между щетками и коллектором, скользящий контакт является источником радиопомех.

Рисунок 1.2 - структурная схема двигателя независимого возбуждения

Подставим в уравнение второго закона Кирхгофа для якорной цепи I_я и Е_я получим

, (1.1)

, (1.2)

где R_я - якорное сопротивление,

R_д - добавочное сопротивление.

Электродвижущая сила (ЭДС) якоря - Е_я пропорциональна угловой скорости -щ, связь между ЭДС и угловой скоростью, а так же между вращающим моментом М и I_я в системе единиц СИ определяется единым электромагнитным коэффициентом

, (1.3)

где р - число пар полюсов двигателя,

N - число проводников обмотки якоря,

a - число пар параллельных ветвей обмотки якоря,

Ф - магнитный поток.

Причем,

, (1.4)

где а - конструктивный коэффициент.

, (1.5)

, (1.6)

тогда E якоря

, (1.7)

а момент

, (1.8)

и напряжение, подаваемое на двигатель

, (1.9)

Откуда

, (1.10)

механическая характеристика двигателя постоянного тока записывается в виде

. (1.11)

Следовательно, механическая характеристика при Ф = const представляет собой прямую линию. Угловую скорость, соответствующую при М = 0 и номинальном напряжении - U_ном запишем в виде

. (1.12)

Эту скорость называют угловой скоростью идеального холостого хода.



Рисунок 1.3 - механические характеристики в двигательном режиме

Рассмотрим установившиеся режимы работы двигателя постоянного тока для случая соответствующего постоянному моменту сопротивления.

Такая схема нагружения двигателя постоянного тока соответствует подъему или спуску постоянного груза.

Рисунок 1.4 - структурная схема нагружения двигателя постоянного тока для постоянного момента нагружения

Рассмотрим обобщенные механические характеристики двигателя постоянного тока



Рисунок 1.5 - механическая характеристика двигателя постоянного тока

В первом квадранте двигатель постоянного тока находится в двигательном режиме и потребляет энергию из сети. При вращении якоря со скоростью w>w₀ двигатель постоянного тока переходит из двигательного режима с моментом М>0 (первый квадрант) в генераторный режим (второй квадрант) с отрицательным вращающим моментом (якорь вращается перпендикулярно, например, под действием инерции исполнительного механизма). При этом момент М<0 и I_я<0, т.е. двигатель постоянного тока отдает энергию в сеть.

Положив в выражение для механической характеристики w=0 и R=R_я, U=U_ном, получим пусковой момент

(1.13)

Так как пусковой ток

, (1.14)

то

. (1.15)

При включении двигателя без добавочного резистора (естественная характеристика - 1) груз поднимается со скоростью двигателя w₁. При включении добавочного резистора (искусственная характеристика - 2) груз не подвижен (w₂=0). При работе двигателя в режиме, определяемом характеристикой 3, груз опускается со скоростью w₁, искусственная характеристика 4 соответствует режиму динамического торможения, заключающемуся в отсоединении якорной цепи от источника и замыкании ее на добавочный резистор, характеристика 5 аналогична характеристике 2, но напряжение U=U_ном, характеристика 6 параллельна характеристики 1 и соответствует во втором квадранте противовключению при подаче напряжения U=U_ном.

2. Практическая часть

2.1 Построение структурной схемы АЭП

Для построения структурной схемы, необходимо проанализировать работу данного механизма - лифта.

Рисунок 2.1 - структурная схема электропривода

Схема состоит из следующих элементов:

­ панель управления;

­ ПИД-регулятор;

­ ДПТ;

­ барабан;

­ кабина лифта;

­ обратная связь по току с отсечкой;

­ тахогенератор;

­ датчик перемещения.

Панель управления(ПУ) содержит кнопки вызова лифта и дисплей, на котором отображается информация о положении лифта. С ПУ сигнал поступает на ПИД-регулятор, который является функциональной частью схемы. С его помощью происходит управление входным сигналом электропривода и задание режимов работы. Далее сигнал идет на двигатель постоянного тока, который приводит в движение барабан с тросом, и поднимает(опускает) кабину лифта.

В схеме присутствуют три обратные связи:

­ по току с отсечкой;

­ по перемещению кабины лифта;

­ по скорости вращения ротора двигателя.

Для контроля перемещения кабины лифта можно использовать фотоэлектрический датчик перемещений. Датчики такого типа позволяют контролировать перемещения на любые расстояния.

Для контроля скорости вращения ротора можно использовать тахогенератор. Он измеряет угловую скорость ротора и подает эту величину со знаком «минус» на ПИД-регулятор, что приводит к изменению управляющего сигнала и стабилизации скорости вращения ротора.

Для контроля величины тока якорной обмотки используется обратная связь по току с отсечкой. С ее помощью «обрезаются» большие пусковые токи, что уменьшает вероятность поломки двигателя из-за высокого значения входного тока.

2.2 Синтез математической модели объекта

Рассмотрим «физику» процесса перемещения кабины лифта.

Составим уравнение, используя второй закон Ньютона

? F(t)=m(t)·a(t) (2.1)

где ;

,

g - ускорение свободного падения, g=9.81 м/с².

;

m_l - масса кабины лифта, m_l=450 кг;

m_nm - масса погонного метра троса, m_nm=8 (кг/м);

F_g(t) - сила, развиваемая двигателем, ;

- сила трения в подшипниках, ;

- момент двигателя;

- радиус барабана, м;

- коэффициент трения в подшипниках, .

Тогда дифференциальное уравнение системы будет иметь вид:

(2.2)

Преобразуем это уравнение в более удобный вид и построим его визуальную модель в среде Simulink.

(2.3)



Рисунок 2.2 - визуальная модель дифференциального уравнения системы.

2.3 Расчет параметров ДПТ

Сопротивление обмотки якоря определяется по закону Ома для участка цепи:

(2.4)

(Ом)

Индуктивность обмотки якоря:

(2.5)

(Гн)

Индуктивность обмотки возбуждения:

 (2.6)

(Гн)

Взаимная индуктивность между цепью якоря и цепью обмотки возбуждения:

(2.7)

(Гн)

Потери мощности ДПТ складываются из механических потерь и электромагнитных потерь.

Механические потери определяются от номинальной мощности ДПТ:

(2.8)

(Вт)

Коэффициент вязкого трения:

(2.9)

Коэффициент сухого трения:

 (2.10)

2.4 Построение в MatLab релейной схемы управления

Рисунок 2.3 - релейная схема управления электроприводом

Промоделировав полученную схему, мы получили:



Рисунок 2.4 - угловая скорость вращения ротора

Двигатель разгоняется до скорости 32 рад/сек за четыре этапа, время регулирования t=32 с.

Рисунок 2.5 - ток якоря

Пусковой ток за 32 секунды устанавливается в 24.7 А.



Рисунок 2.6 - график переходного процесса электропривода

Рисунок 2.7 - механическая характеристика ДПТ

Двигатель имеет четырехступенчатую механическую характеристику.



Рисунок 2.8 - механическая характеристика электропривода

2.5 Построение в MatLab схемы управления с регулированием по скорости

Рисунок 2.9 - схема управления электроприводом по скорости

Промоделировав полученную схему, мы получили:



Рисунок 2.10 - угловая скорость вращения ротора

Как и в прошлом методе регулирования, двигатель разгоняется до скорости 32 рад/сек. Время регулирования t=2 с.

Рисунок 2.11 - ток якоря

Ток якоря достигает установившегося значения 24.7 А за 2 секунды.



Рисунок 2.12 - график переходного процесса электропривода

Рисунок 2.13 - механическая характеристика ДПТ



Рисунок 2.14 - механическая характеристика электропривода

2.6 Построение в MatLab схемы управления с ПИД-регулятором

Рисунок 2.15 - схема управления электроприводом при помощи ПИД-регулятора

Промоделировав полученную схему, мы получили:



Рисунок 2.16 - угловая скорость вращения ротора

Двигатель с ПИД-регулятором разгоняется до скорости 1800 рад/сек за 20 секунд.

Рисунок 2.17 - ток якоря

Значение тока якоря составляет 1280 А.



Рисунок 2.18 - график переходного процесса электропривода.

Переходный процесс достигает установившегося режима за 15 секунд.

Рисунок 2.19 - механическая характеристика ДПТ



Рисунок 2.20 - механическая характеристика электропривода

2.7 Сравнительный анализ разработанных систем управления

Критерий	Релейная система	Регулирование по скорости	ПИД-регулятор
Скорость вращения ротора, С-1	32.1	32.1	1777
Ток якоря, А	23.1	23.2	1282
Момент вращения ротора, об/мин	37.6	37.6	2080
Время регулирования, с	32	2	20

Выводы

В данном курсовом проекте я разработал систему автоматического управления электроприводом грузового лифта с двигателем постоянного тока. Были разработано три системы управления: релейная система, система регулирования по скорости и система регулирования с ПИД-регулятором. Также были построены в среде Simulink имитационные модели для каждой из систем. После моделирования я получил графики выходных характеристик электропривода и по этим данным сделал анализ систем и выбрал лучшую.

Для регулирования электропривода лифта наиболее выгодно использовать ПИД-регулятор, потому что в данном случае мы получаем более высокие выходные характеристики за меньшее время, по сравнению с другими системами управления. А также только с помощью этого метода регулирования система устойчива и можно добиться желаемого результата. Однако, ПИД-регулятор имеет недостаток - высокий пусковой ток, который приводит к большим энергетическим затратам для реализации этого способа регулирования.

Список использованных источников и литературы

1. Дементьев Ю.Н., Чернышев А.Ю., Чернышев И.А. «Автоматизированный электропривод: Учебное пособие» - Томск: Изд-во ТПУ, 2009. - 224 с.

2. http://freepapers.ru

3. http://energo20.ru

4. А.А. Осьмачко «Лабораторный практикум по дисциплине «Автоматизированный электропривод» - Харьков: ХНАДУ, 2008. - 40 с.

5. Конспект лекций по дисциплине «Автоматизированный электропривод».

Размещено на Allbest.ru