ВКР версия 5.0.Релиз (Автоматизация системы электроприводов козлового крана типа КДКК-10), страница 3

1 – естественная характеристика, 2 – искусственная реостатная характеристика для одной из ступеней сопротивления

Рисунок 3.1 - Зависимость ω=f(M) для асинхронного двигателя МТН-412-8

Статический момент сопротивления, создаваемый грузом, является активным, это значит, что направление статического момента не зависит от направления вращения ротора двигателя. Таким образом, когда происходит спуск груза, двигатель стремится перейти в генераторный режим (2-й квадрант на рис. 3.1), соответственно скорость двигателя увеличивается. При этом, если в цепь ротора ввести дополнительные сопротивления, то скорость двигателя увеличится (см. характеристика 2, рис. 3.1), в виду того, что характеристика станет мягче. От сюда вытекает еще один недостаток – сложность регулирования скорости при спуске груза.

1. Частотное управление электроприводом

В настоящее время широкое применение находит частотное управление асинхронными электроприводами. Частота вращения асинхронного двигателя определяется по следующей формуле, об/мин:

,

(3.1)

где f₁ – частота питающей сети, p – число пар полюсов, s – скольжение.

Из (3.1) видно, что пропорционально уменьшению частоты тока питающей сети, уменьшается скорость двигателя. При этом уменьшается синхронная частота вращения, а это значит, что управлять скоростью двигателя становится более удобно, как при подъеме, так и при спуске груза, что очень важно. Кроме того, частотное регулирование скорости не сопровождается увеличением скольжения s, за счет чего потери мощности оказываются небольшими, это подтверждается следующей формулой, Вт:

,

(3.2)

где M- момент на валу двигателя, Н·м.

Благодаря частотному управлению, скорость двигателя регулируется в достаточно большом диапазоне, на рис. 3.2. показано семейство механических характеристик.

Рисунок 3.2 - Механические характеристики АД при частотном управлении

Для лучшего использования двигателя и получения высоких энергетических показателей его работы, таких, как к.п.д., коэффициент мощности и перегрузочной способности, одновременно с изменением частоты необходимо изменять напряжения на статоре двигателя.

Из формулы (3.3) видно, что главный магнитный поток Ф двигателя зависит, как от частоты f₁, так и от напряжения статорной цепи U₁. Увеличение потока Ф приводит к увеличению насыщения магнитной цепи и сильному увеличению намагничивающего тока, а уменьшение Ф вызовет недоиспользование машины, уменьшение перегрузочной способности. Поэтому целесообразно поддерживать Ф=const, т.е. соотношение напряжения и частоты должно также оставаться на неизменном уровне.

,

(3.3)

где Е₁- э.д.с., индуктируемая в статорной цепи главным магнитным потоком, В; ω₁- угловая скорость вращения магнитного поля статора.; k_об1- обмоточный коэффициент статорной цепи; Ф- главный магнитный поток, Вб.

Соотношение частоты и напряжения во время регулирования определяется характером зависимости момента нагрузки М_с от скорости. В данном случае кран поднимает груз определенной массы, соответственно возникающий момент М_с является постоянным и не зависит от скорости. В таком случае напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально его частоте:

U₁/f₁= const,

Частотно управление позволяет избежать больших пусковых токов, которые негативно сказываются на двигателе. Электродвижущая сила (э.д.с.), возникающая в роторной цепи двигателя и приведенная к цепи статора, равна, В:

,

(3.4)

где w- число витков в обмотке ротора; k_с- коэффициент скоса пазов ротора.

Приведенный к обмотке статора ток в цепи ротора определяется выражением, А:

(3.5)

где R`<sub>2</sub>, Х`₂ – соответственно приведенные к обмотке статора активное и индуктивное сопротивление обмотки ротора, Ом.

Из (3.4) видно, что э.д.с., возникающая в цепи ротора прямо пропорциональна частоте. Из (3.5) видно, что ток роторной цепи двигателя зависит от величины э.д.с., возникающей в обмотках ротора. Таким образом из (3.4) и (3.5) следует, что при частотном регулировании скоростью электродвигателя, пусковые токи ограничиваются за счет маленькой э.д.с. ротора в момент пуска.

Использование частотного привода позволяет избавиться от ряда устройств в силовой схеме. Так можно исключить пусковые реостаты из цепи ротора; можно также исключить пусковые контакторы, т.к. напряжение к статору прикладывается от преобразователя частоты (см. рис. 3.3). Напряжение на выходе ПЧ не появится до тех пор, пока не начнет работать система импульсно фазового управления (СИФУ), которая управляет открытием транзисторов. Соответственно из схемы управления можно удалить реле, которые управляли замыканием контакторов и выведением сопротивления из фаз обмоток роторов.

СИФУ-В – система имульсно-фазового управления выпрямителем, СИФУ-И – система имульсно-фазового управления инвентором.

Рисунок 3.3 - Схема частотного преобразователя.

Исходя из вышеизложенного, для регулирования скорости электродвигателей крана удобнее всего использовать частотный способ управления.

1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ (АСУ) КРАНОМ С ЧАСТОТНЫМ ПРИВОДОМ

1. Общие сведения

Релейно-контактная схема управления краном КДКК-10 и ее недостатки описаны в пунктах 3.1 и 3.2 соответственно. Избавиться от описанных недостатков можно путем применения в новой автоматизированной системе управления (АСУ) программируемого логического контроллера (ПЛК) для реализации логических функций и преобразователей частоты для управления скоростью двигателей. Преимущества частотного управления приводом описаны в пункте 3.3. Благодаря применению ПЛК количество промежуточных реле в схеме сократится, т.к. вся логика управления будет реализована программным образом в ПЛК.

Применение преобразователей частоты (ПЧ) позволит плавно регулировать скорость двигателей в диапазоне от нуля до номинально скорости, а также снизить пусковые токи в 4-5 раз.

Для составления правильной структурной схемы, необходимо предварительно проанализировать, какие технологические параметры системы необходимо контролировать и какими исполнительными органами необходимо управлять.

1. Входные параметры системы

Входные параметры поступают на входные модули ПЛК в качестве дискретных и аналоговых сигналов.

В системе управления крана КДКК-10 имеется три группы электроприводов: привод подъема груза, привод перемещения грузовой тележки, привод перемещения крана по подкрановым путям, что соответствует шести направлениям передвижения с учетом реверсирования двигателей, соответственно для осуществления передвижений на входной модуль ПЛК должно поступать шесть управляющих сигналов от двух координатных переключателей. Один КП имеет 2 рабочих положения, второй КП имеет 4 рабочих положения. Использовать КП в АСУ вместо командоконтроллеров является целесообразным решением, потому, что командоконтроллеры не позволят плавно задавать скорость для двигателей, т.к. являются контактными устройствами. В то время, как КП имеют встроенные потенциометры, посредством которых можно плавно задавать скорости для двигателей.

Согласно п.2.12.2 ПБ 10-382-00 «Правила устройства и безопасной эксплуатации кранов» краны должны быть оборудованы ограничителями рабочих движений для автоматической остановки. Поэтому для ограничения передвижения рабочих механизмов крана в крайних положениях необходимо использовать конечные выключатели. Т.к. имеется шесть направлений движения, то соответственно на входной модуль ПЛК будет поступать шесть входных сигналов от концевых выключателей.

Согласно п.4.3 ГОСТ 12.3.009-76 «Работы погрузочно-разгрузочные. Общие требования к безопасности», а также п. 9.5.16. ПБ 10-382-00 «Правила устройства и безопасной эксплуатации кранов», работы на кране не допускаются при скорости ветра выше допустимой для данного крана и температуре ниже, указанной в паспорте. Поэтому для контроля скорости ветра и температуры наружного воздуха необходимо использовать соответствующие датчики. Таким образом, на входной модуль ПЛК будет поступать еще два сигнала, один – пропорциональный скорости ветра, второй – температуре наружного воздуха.

Согласно п.4.3 ГОСТ 12.3.009-76 «Работы погрузочно-разгрузочные. Общие требования к безопасности», подъемно транспортным оборудованием разрешается поднимать груз, масса которого вместе с грузозахватными приспособлениями не превышает допустимую грузоподъемность данного оборудования. Измерять массу груза можно двумя способами: либо путем считывания сигнала с тензодатчика, либо измерение величины тока статора и умножение этой величины на коэффициент пропорциональности. Для большей надежности и точности измерения целесообразно применять оба способа измерения массы груза. Поэтому на входной модуль ПЛК будут поступать еще два сигнала, пропорциональные массе груза.

Для защиты электродвигателей от тока короткого замыкания, а также от перегрузки по току будут применяться автоматические выключатели (АВ). Чтобы фиксировать моменты аварийного отключения АВ, на вход ПЛК должны поступать сигналы от дополнительных контактов, состояние которых зависит от состояния главных контактов АВ. Двигателей всего шесть, соответственно и сигналов, поступающих на входной модуль ПЛК, также будет шесть.

Для приведения АСУ в режим работы рабочая панель оператора должна быть оборудована кнопкой «Пуск», а также кнопкой «Стоп» для приведения АСУ в режим простаивания. Таким образом На входной модуль ПЛК будет поступать два сигнала управления.

1. Выходные параметры системы

Выходными параметрами системы являются исполнительные органы (ИО) рабочих механизмов. Сигналы на ИО подаются от выходных модулей ПЛК.

Как уже отмечалось ранее, в системе имеется шесть двигателей: один двигатель для подъема груза, один двигатель для перемещения тележки и четыре двигателя для перемещения крана по подкрановым путям. Для плавного регулирования скорости каждый двигатель должен управляться отдельным частотным преобразователем. Для управление ПЧ лучше всего использовать промышленную сеть (цифровой канал), т.к. управление ПЧ по цифровому каналу физически и программно легче реализовать, а также цифровой канал позволяет не только передавать данные на ПЧ, но и считывать данные с него. Для того, чтобы оператор (машинист крана) мог визуально наблюдать состояние всех параметров системы, на панели оператора необходимо разместить устройство графического отображения информации, на которое будут выводиться параметры системы и их состояния. Данные на устройство графического отображения можно передавать только по цифровому каналу. Таким образом, ПЛК по цифровому каналу будет обмениваться информацией с шестью преобразователями частоты и одним устройством графического отображения.

Согласно п. 2.3.5 нормативного документа ГОСТ 12.2.003-91 «Оборудование производственное. Общие требования безопасности» и п.2.10.2 нормативного документа ПБ 10-382-00 «Правила устройства и безопасной эксплуатации кранов», подача напряжения на электрооборудование крана должно осуществляться через вводное устройство. Поэтому, для подачи напряжения в силовую цепь системы необходимо на входе цепи установить контактор. Для подачи напряжения на электромагнитный тормоз в момент пуска привода подъема, необходимо также установить контактор. Всего насчитывается два контактора, что соответствует двум сигналам с выходного модуля ПЛК.

Согласно п.2.3.6 ГОСТ 12.2.003-91 «Оборудование производственное. Общие требования безопасности», центральный пульт управления должен быть оборудован сигнализацией, информирующей о нарушении нормального функционирования единиц технологического комплекса. Поэтому необходимо установить световую и звуковую сигнализации для информирования об аварийных и опасных ситуациях. Это соответствует одному сигналу с выхода ПЛК.

1. Описание структурной схемы АСУ

Структурная схема АСУ с учетом выше изложенного приведена на чертеже БР 13.03.02 025 Э11. Перечень элементов структурной схемы приведен в таблице Б.1, приложения Б.