Помощь студентам в учебе
Разработка регулируемого электропривода ПЧ-АД для лифтовых механизмов на основе безредукторной лебедки
|
ОПРЕДЕЛЕНИЯ 11
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 13
ВВЕДЕНИЕ 14
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 15
1.1. Патентный обзор 15
1.2. Разновидности лифтовых установок 19
1.3. Устройство и принцип действия 22
1.4. Составление перечня измеряемых технологических переменных и
управляющих воздействий, определение требуемой точности измерения и управления 26
1.5. Определение основных требований к ведению технологического
процесса, формулирование критерия качества и цели управления 27
1.6 Основные требования к электроприводу 28
1.7 Лифтовые лебедки 29
1.8. Тихоходные (низкоскоростные, высокомоментные) асинхронные
двигатели 33
1.8.1. Анализ тихоходного асинхронного двигателя 34
1.9. Преобразователи частоты для лифтовых механизмов 37
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ТИХОХОДНОГО АСИНХРОННОГО
ДВИГАТЕЛЯ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ЛИФТОВОЙ ЛЕБЕДКИ 40
2.1 Математическое описание тихоходного асинхронного двигателя с
короткозамкнутым ротором 40
2.2 Математическое описание механической части 47
3. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ 57
3.1. Расчет мощности двигателя и его выбор 57
3.1.1. Построение механических и электромеханических характеристик 58
3.2. Выбор преобразователя частоты 60
3.3. Выбор безредукторной лифтовой лебедки 66
4. ИМИТ АЦИОННАЯ МОДЕЛЬ БЕЗРЕДУКТОРНОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЛИФТА НА ОСНОВЕ ТИХОХОДНОГО
АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ 69
4.1. Система относительных единиц 69
4.1.1. Имитация ТАД в неподвижной системе координат 71
4.2. Создание системы управления ТАД 73
4.2.1. Контуры управления составляющими векторами тока статора 75
4.2.2. Контур управления потокосцеплением ротора 77
4.2.3. Контур управления частотой вращения 78
4.2.4. Контур управления положением 79
4.2.5. Задатчик интенсивности 81
4.2.6. Структурная схема нелинейной системы управления ТАД с векторным
управлением с датчиком скорости 81
4.3. Имитационная модель тихоходного электропривода с учетом работы с
безредукторной лифтовой лебедкой, выполненной в виде трехмассовой
системы 83
5. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 86
5.1 Организация работ технического проекта 86
5.2 Смета затрат на проектирование 89
5.2.1 Материальные затраты 89
5.2.2 Затраты на амортизацию 89
5.2.3 Затраты на заработную плату
5.2.4 Затраты на социальные нужды 91
5.2.5 Прочие затраты 91
5.2.4 Накладные затраты 91
5.3 Анализ полученных результатов 92
6 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 94
6.1 Введение 94
6.2. Описание и анализ опасных и вредных факторов 94
6.2.1. Микроклимат в помещении 95
6.2.2. Шум и вибрация 96
6.2.3. Недостаточная освещенность 97
6.3. Анализ опасных факторов 101
6.3.1. Загорание (пожар) 102
6.3.2. Электропоражение 104
6.4. Разработка принятия решений по утилизации отходов 106
6.5. Предотвращение ЧС и устранение последствий 108
6.6. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности .... 110
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 13
ВВЕДЕНИЕ 14
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 15
1.1. Патентный обзор 15
1.2. Разновидности лифтовых установок 19
1.3. Устройство и принцип действия 22
1.4. Составление перечня измеряемых технологических переменных и
управляющих воздействий, определение требуемой точности измерения и управления 26
1.5. Определение основных требований к ведению технологического
процесса, формулирование критерия качества и цели управления 27
1.6 Основные требования к электроприводу 28
1.7 Лифтовые лебедки 29
1.8. Тихоходные (низкоскоростные, высокомоментные) асинхронные
двигатели 33
1.8.1. Анализ тихоходного асинхронного двигателя 34
1.9. Преобразователи частоты для лифтовых механизмов 37
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ТИХОХОДНОГО АСИНХРОННОГО
ДВИГАТЕЛЯ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ЛИФТОВОЙ ЛЕБЕДКИ 40
2.1 Математическое описание тихоходного асинхронного двигателя с
короткозамкнутым ротором 40
2.2 Математическое описание механической части 47
3. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ 57
3.1. Расчет мощности двигателя и его выбор 57
3.1.1. Построение механических и электромеханических характеристик 58
3.2. Выбор преобразователя частоты 60
3.3. Выбор безредукторной лифтовой лебедки 66
4. ИМИТ АЦИОННАЯ МОДЕЛЬ БЕЗРЕДУКТОРНОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЛИФТА НА ОСНОВЕ ТИХОХОДНОГО
АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ 69
4.1. Система относительных единиц 69
4.1.1. Имитация ТАД в неподвижной системе координат 71
4.2. Создание системы управления ТАД 73
4.2.1. Контуры управления составляющими векторами тока статора 75
4.2.2. Контур управления потокосцеплением ротора 77
4.2.3. Контур управления частотой вращения 78
4.2.4. Контур управления положением 79
4.2.5. Задатчик интенсивности 81
4.2.6. Структурная схема нелинейной системы управления ТАД с векторным
управлением с датчиком скорости 81
4.3. Имитационная модель тихоходного электропривода с учетом работы с
безредукторной лифтовой лебедкой, выполненной в виде трехмассовой
системы 83
5. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 86
5.1 Организация работ технического проекта 86
5.2 Смета затрат на проектирование 89
5.2.1 Материальные затраты 89
5.2.2 Затраты на амортизацию 89
5.2.3 Затраты на заработную плату
5.2.4 Затраты на социальные нужды 91
5.2.5 Прочие затраты 91
5.2.4 Накладные затраты 91
5.3 Анализ полученных результатов 92
6 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 94
6.1 Введение 94
6.2. Описание и анализ опасных и вредных факторов 94
6.2.1. Микроклимат в помещении 95
6.2.2. Шум и вибрация 96
6.2.3. Недостаточная освещенность 97
6.3. Анализ опасных факторов 101
6.3.1. Загорание (пожар) 102
6.3.2. Электропоражение 104
6.4. Разработка принятия решений по утилизации отходов 106
6.5. Предотвращение ЧС и устранение последствий 108
6.6. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности .... 110
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Цель работы - провести расчет и исследование электропривода лифта по системе преобразователь частоты - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором на основе безредукторной лебедки и выбрать необходимое оборудование.
В работе был проведен анализ лифтовых систем, выбран тихоходный асинхронный двигатель, безредукторная лифтовая лебедка и устройство управления.
Произведен расчет выбранного асинхронного двигателя и его механической системы. Построены механические и электромеханические характеристики ТАД.
Результаты исследования представлены в виде переходных характеристик, полученных с помощью разработанной имитационной модели в MATLAB R2014b, все расчеты получены с помощью программы MATHCAD
15.
Пояснительная записка выпускной квалификационной работы выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2013.
Лифт - это специальное транспортное средство, предназначенное для перевозки людей и грузов. С помощью лифта стали возможны длинные межэтажные перевозки, что нашло широкое применение в высотных зданиях и шахтах. Отличительной особенностью лифта от других средств перемещения является то, что управлять им может любой пассажир, находящийся в лифтовой кабине. Это стало возможным благодаря развитию автоматизированной техники.
Лифт является сложнейшим электромеханическим оборудованием, следовательно, к его проектированию предъявляются жесткие требования, которые регламентируются ПУБЭЛ - Правилами устройства и безопасности эксплуатации лифтов. За соблюдением всех требований и нормативов ПУБЭЛ, с момента установки и на весь период эксплуатации, следят органы Госгортехнадзора России и его региональные органы.
Существуют следующие типы лифтовых установок - электрические и гидравлические. Наибольшее использование получили, естественно, электрические лифты.
Основой электрического лифта является его подъемный механизм - электропривод. Также, существует множество способов исполнения лифтовых систем.
В данной работе будут рассмотрены существующие системы лифтовых установок, описаны перспективы развития, будет разработан регулируемый электропривод с использованием безредукторной лифтовой лебедки, построены механические и электромеханические характеристики выбранного электродвигателя, подтверждение адекватности результатов проектирования будет представлено в виде имитационной модели данного электропривода с механической частью.
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Патентный обзор
1) Безредукторный привод лифтовой лебедки
Официальная публикация
патента РФ № 2435283. Авторы: Голембиовский Михаил Иванович (RU), Захаров Алексей Вадимович (RU), Кобелев Андрей Степанович (RU), Кругликов Олег Валерьевич (RU), Макаров Лев Николаевич (RU), Родионов Роман Вячеславович (RU)
Патентообладатель: Открытое Акционерное Общество "НаучноИсследовательский Проектно-Конструкторский и Технологический Институт Электромашиностроения" (RU)
Описание: Изобретение относится к асинхронным двигателям специализированного назначения по системе управления ПЧ-АД с короткозамкнутым ротором с обеспечением высокого момента при низкой частоте вращения. Изобретение позволит повысить энергетические и массогабаритные качества электропривода.
«Это достигается тем, что в асинхронном двигателе комплексно применяются: полуоткрытые до 2,2 мм пазы ротора специальной конструкции без скоса с переходом на высоте 1 мм к широкой части верхушки паза; пазы статора, имеющие арочную конструкцию верхней части паза и максимальное открытие до 4 мм, при соблюдении условий, что число пар полюсов 2р=6-12 выбирается так, чтобы частота питающего напряжения была не ниже 4 Гц, с жесткой увязкой соотношения чисел пазов ротора 66-130 и статора 54-108 при числе пазов ротора, большем числа пазов статора на 20%; обмотка статора с числом пазов на полюс и фазу не менее 2; магнитная система, изготовленная из стали, обладающей высокими значениями индукции без привязки к величине удельных потерь. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в улучшении энергетических показателей и повышении перегрузочной способности электродвигателя, в том числе и при его работе в генераторном режиме.
В работе был проведен анализ лифтовых систем, выбран тихоходный асинхронный двигатель, безредукторная лифтовая лебедка и устройство управления.
Произведен расчет выбранного асинхронного двигателя и его механической системы. Построены механические и электромеханические характеристики ТАД.
Результаты исследования представлены в виде переходных характеристик, полученных с помощью разработанной имитационной модели в MATLAB R2014b, все расчеты получены с помощью программы MATHCAD
15.
Пояснительная записка выпускной квалификационной работы выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2013.
Лифт - это специальное транспортное средство, предназначенное для перевозки людей и грузов. С помощью лифта стали возможны длинные межэтажные перевозки, что нашло широкое применение в высотных зданиях и шахтах. Отличительной особенностью лифта от других средств перемещения является то, что управлять им может любой пассажир, находящийся в лифтовой кабине. Это стало возможным благодаря развитию автоматизированной техники.
Лифт является сложнейшим электромеханическим оборудованием, следовательно, к его проектированию предъявляются жесткие требования, которые регламентируются ПУБЭЛ - Правилами устройства и безопасности эксплуатации лифтов. За соблюдением всех требований и нормативов ПУБЭЛ, с момента установки и на весь период эксплуатации, следят органы Госгортехнадзора России и его региональные органы.
Существуют следующие типы лифтовых установок - электрические и гидравлические. Наибольшее использование получили, естественно, электрические лифты.
Основой электрического лифта является его подъемный механизм - электропривод. Также, существует множество способов исполнения лифтовых систем.
В данной работе будут рассмотрены существующие системы лифтовых установок, описаны перспективы развития, будет разработан регулируемый электропривод с использованием безредукторной лифтовой лебедки, построены механические и электромеханические характеристики выбранного электродвигателя, подтверждение адекватности результатов проектирования будет представлено в виде имитационной модели данного электропривода с механической частью.
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Патентный обзор
1) Безредукторный привод лифтовой лебедки
Официальная публикация
патента РФ № 2435283. Авторы: Голембиовский Михаил Иванович (RU), Захаров Алексей Вадимович (RU), Кобелев Андрей Степанович (RU), Кругликов Олег Валерьевич (RU), Макаров Лев Николаевич (RU), Родионов Роман Вячеславович (RU)
Патентообладатель: Открытое Акционерное Общество "НаучноИсследовательский Проектно-Конструкторский и Технологический Институт Электромашиностроения" (RU)
Описание: Изобретение относится к асинхронным двигателям специализированного назначения по системе управления ПЧ-АД с короткозамкнутым ротором с обеспечением высокого момента при низкой частоте вращения. Изобретение позволит повысить энергетические и массогабаритные качества электропривода.
«Это достигается тем, что в асинхронном двигателе комплексно применяются: полуоткрытые до 2,2 мм пазы ротора специальной конструкции без скоса с переходом на высоте 1 мм к широкой части верхушки паза; пазы статора, имеющие арочную конструкцию верхней части паза и максимальное открытие до 4 мм, при соблюдении условий, что число пар полюсов 2р=6-12 выбирается так, чтобы частота питающего напряжения была не ниже 4 Гц, с жесткой увязкой соотношения чисел пазов ротора 66-130 и статора 54-108 при числе пазов ротора, большем числа пазов статора на 20%; обмотка статора с числом пазов на полюс и фазу не менее 2; магнитная система, изготовленная из стали, обладающей высокими значениями индукции без привязки к величине удельных потерь. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в улучшении энергетических показателей и повышении перегрузочной способности электродвигателя, в том числе и при его работе в генераторном режиме.
В результате выполнения магистерской диссертации были решены все поставленные задачи.
В первой главе был проведен литературный обзор существующего лифтового оборудования. Произведен поиск патентов новейших разработок в данной сфере. Изучен принцип работы исследуемого механизма. Рассмотрены требования к проектированию лифтового оборудования, согласно с которыми будет производиться дальнейшее исследование.
Во второй главе проведено математическое описание тихоходного асинхронного двигателя и механической части. Выявлено, что описание для тихоходных асинхронных машин имеет аналогичный метод составления дифференциальных уравнений, как и для асинхронных машин общепромышленного назначения.
Механическая часть, представляющая собой безредукторную лебедку, выполнена в виде трехмассовой системы. Установлено, что трехмассовая система является оптимальной для моделирования процессов безредукторной лифтовой лебедки, так как увеличение числа масс привело бы чрезмерному усложнению математического описания.
В третьей главе было выбрано основное оборудование для практической реализации безредукторного электропривода лифта на основе тихоходного асинхронного двигателя с параметрами согласно заданию. Был выбран тихоходный асинхронный двигатель 5AF225M8, преобразователь частоты фирмы «ЭлеСи» ESD-TCL и безредукторная лебедка фирмы «РУСЭЛПРОМ».
В четвертой главе было проведено имитационное моделирование в прикладном пакете программ Simulink MATLAB 2014b. Исследована модель тихоходного асинхронного двигателя в неподвижной системе координат при прямом пуске. В результате чего был сделан вывод, что созданная модель является адекватной и пригодна для дальнейших исследований.
Создана система автоматического управления тихоходным
асинхронным двигателем на основе векторного управления с датчиком
скорости, включающая в себя четыре контура регулирования: 2 контура по току, по скорости и по потокосцеплению. Для обеспечения плавного пуска и остановки применен S-образный задатчик интенсивности скорости. По результатам переходных процессов установлено, что модель является пригодной для использования в лифтовой установке, время разгона двигателя с положения покоя до номинальной скорости составляет 2,7с; Время остановки, включающее в себя движение на пониженной скорости для точной остановки, составляет 4с.
Далее было проведено исследование разработанной модели электропривода с нагрузкой в виде безредукторной лебедки. По результатам моделирования переходных процессов скорости и момента можно сделать вывод, что нагрузка в виде безредукторной лебедки является меньшей, чем номинальный момент двигателя. В результате чего двигатель работает не на полную мощность. Однако, взяв во внимание то, что кабина лифта редко бывает полностью загружена, то следует вывод, что лифтовой электропривод чаще всего работает при нагрузке 30%-60%. Отсюда напрашивается вывод, что в проектировании лифтовых установок с векторным управлением целесообразно использовать адаптивное формирование потокосцепления от функции момента на валу двигателя. Это позволило бы существенно снизить энергопотребление электропривода пассажирского лифта.
В конечном результате был спроектирован регулируемый электропривод по системе ПЧ-АД на основе безредукторной лебедки, отвечающий всем требованиям задания и нормам ПУБЭЛ.
В первой главе был проведен литературный обзор существующего лифтового оборудования. Произведен поиск патентов новейших разработок в данной сфере. Изучен принцип работы исследуемого механизма. Рассмотрены требования к проектированию лифтового оборудования, согласно с которыми будет производиться дальнейшее исследование.
Во второй главе проведено математическое описание тихоходного асинхронного двигателя и механической части. Выявлено, что описание для тихоходных асинхронных машин имеет аналогичный метод составления дифференциальных уравнений, как и для асинхронных машин общепромышленного назначения.
Механическая часть, представляющая собой безредукторную лебедку, выполнена в виде трехмассовой системы. Установлено, что трехмассовая система является оптимальной для моделирования процессов безредукторной лифтовой лебедки, так как увеличение числа масс привело бы чрезмерному усложнению математического описания.
В третьей главе было выбрано основное оборудование для практической реализации безредукторного электропривода лифта на основе тихоходного асинхронного двигателя с параметрами согласно заданию. Был выбран тихоходный асинхронный двигатель 5AF225M8, преобразователь частоты фирмы «ЭлеСи» ESD-TCL и безредукторная лебедка фирмы «РУСЭЛПРОМ».
В четвертой главе было проведено имитационное моделирование в прикладном пакете программ Simulink MATLAB 2014b. Исследована модель тихоходного асинхронного двигателя в неподвижной системе координат при прямом пуске. В результате чего был сделан вывод, что созданная модель является адекватной и пригодна для дальнейших исследований.
Создана система автоматического управления тихоходным
асинхронным двигателем на основе векторного управления с датчиком
скорости, включающая в себя четыре контура регулирования: 2 контура по току, по скорости и по потокосцеплению. Для обеспечения плавного пуска и остановки применен S-образный задатчик интенсивности скорости. По результатам переходных процессов установлено, что модель является пригодной для использования в лифтовой установке, время разгона двигателя с положения покоя до номинальной скорости составляет 2,7с; Время остановки, включающее в себя движение на пониженной скорости для точной остановки, составляет 4с.
Далее было проведено исследование разработанной модели электропривода с нагрузкой в виде безредукторной лебедки. По результатам моделирования переходных процессов скорости и момента можно сделать вывод, что нагрузка в виде безредукторной лебедки является меньшей, чем номинальный момент двигателя. В результате чего двигатель работает не на полную мощность. Однако, взяв во внимание то, что кабина лифта редко бывает полностью загружена, то следует вывод, что лифтовой электропривод чаще всего работает при нагрузке 30%-60%. Отсюда напрашивается вывод, что в проектировании лифтовых установок с векторным управлением целесообразно использовать адаптивное формирование потокосцепления от функции момента на валу двигателя. Это позволило бы существенно снизить энергопотребление электропривода пассажирского лифта.
В конечном результате был спроектирован регулируемый электропривод по системе ПЧ-АД на основе безредукторной лебедки, отвечающий всем требованиям задания и нормам ПУБЭЛ.