Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В настоящее время состояние лифтового хозяйства нуждается в значительных изменениях. Требуется повышение условий в части безопасности и бесперебойной работы. Также важным фактором является обеспечение максимального комфорта. Это формирует потребность в пересмотре и модернизации имеющегося лифтового оборудования.

В лифтах и грузовых подъемниках типы электроприводов выбираются в зависимости от скорости движения, этажности здания и требуемой точности остановки.

Использование существующего лифтового парка имеет ряд проблем и недостатков. Длительный срок эксплуатации привел к сильному износу движущихся частей лифта. В частности электродвигатель уже имеет усталый износ изоляция обмоток статора и разбой подшипников. А стирание колодок механического тормоза и стачивание зубчатых колес передач, уже давно коснулись редуктора лебедки. Весь этот комплекс проблем требует надежного и экономического решения.

1. Актуальность темы

Современный город не мыслим без многоэтажных домов, а современный дом - без лифта. Высота дома теперь напрямую влияет на сложность лифтовой установки. Сейчас к лифтам начинают применяться повышенные требования. При увеличении количества этажей, должна увеличиваться скорость движения, следовательно, требуются плавные разгон и торможение. Старые технические средства, которые применялись в домах средней этажности, не могут обеспечить этого.

Современные требования также выдвигаются и к грузоподъемности. Нагрузка на привод электродвигателя должна меняться в большом диапазоне. Но скорость движения лифта и ускорение, при разгоне и торможении, должны оставаться постоянными величинами. То есть никак не реагировать на значительные изменения нагрузки. Немаловажными являются вопросы экономии электроэнергии, ремонтных работ и продления срока службы основных узлов привода. Данная магистерская работа посвящена решению данных проблем путем внедрения частотно-регулируемого привода при частичной или полной модернизации оборудования.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Основной целью работы является улучшение эксплуатационных и экономических показателей путём внедрения частотно-регулируемого электропривода.

Основные задачи исследования:

  1. Повышение общего уровня безопасности лифтовой установки.
  2. Снижение вероятности межвиткового короткого замыкания за счёт снижения пускового тока.
  3. Значительное снижение ударной нагрузки на подшипники за счёт плавности процессов разгона и торможения.
  4. Увеличение общего срока эксплуатации движущихся частей за счёт отсутствия ударных и вибрационных явлений.
  5. Использование лебёдки, укомплектованной односкоростным, а не двухскоростным, электродвигателем.

Объект исследования: система частотно-регулируемого привода, в состав которой входит преобразователь частоты и лифтовая лебёдка, оборудованная односкоростным асинхронным двигателем.

В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям:

  1. Достижение комфортного перемещения кабины лифта, за счёт эффективного контроля крутящего момента и скорости на выходном валу электродвигателя.
  2. Снижение расходов на потребляемую электроэнергию за счёт нивелирования переходных процессов, в момент запуска двигателя.

3. Описание частотно-регулируемого привода

Частотно-регулируемый привод — представляет собой систему управления частотой вращения ротора асинхронного (или синхронного) электродвигателя. Состоит из собственно электродвигателя и частотного преобразователя.

Частотный преобразователь (или преобразователь частоты) — это устройство, которое состоит из выпрямителя (моста постоянного тока), и инвертора (преобразователя). Выпрямитель преобразует переменный ток промышленной частоты в постоянный, а инвертор преобразует постоянный ток в переменный.

Функциональная схема преобразователя частоты, выполненного по схеме источника напряжения

Рисунок 1 – Функциональная схема преобразователя частоты, выполненного по схеме источника напряжения

Выходные тиристоры (GTO) или транзисторы IGBT или MOSFET обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя. Для исключения перегрузки преобразователя при большой длине фидера между преобразователем и фидером ставят дроссели, а для уменьшения электромагнитных помех — EMC-фильтр.

При скалярном управлении формируются гармонические токи фаз двигателя. Векторное управление — метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующий гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивающий управление магнитным потоком ротора (моментом на валу двигателя).

3.1 Построение преобразователя с непосредственной связью

Частотный преобразователь с непосредственной связью – устройство, представляющее собой управляемый выпрямитель. Группы тиристоров поочерёдно отпираются системой управления и подключаются статорные обмотки двигателя к питающей сети. Благодаря этому, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид выходного напряжения. Частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Её диапазон составляет от 0 до 30 Гц. Из этого следует малый диапазон управления частоты вращения двигателя. В современных частотно-регулируемых приводах, с широким диапазоном регулирования технологических параметров, не применяются такие преобразователи.

Стоимость преобразователя увеличивает использование не запираемых тиристоров, для сложных систем управления. В преобразователях с непосредственной связью «резаная» синусоида на выходе является источником высших гармоник. Эти гармоники вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети.

Использование компенсирующих устройств, для решения этих проблем, приводит к повышению стоимости, габаритов, массы и снижению КПД системы.

3.2 Построение преобразователя с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока

В современных частотно-регулируемых приводах наиболее широкое применение находят преобразователи с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока. В основе использования преобразователя этого класса лежит двойное преобразование электрической энергии. Изначально входное синусоидальное напряжение выпрямляется в выпрямителе и фильтруется фильтром, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды.

Двойное преобразование энергии приводит к снижению КПД и к некоторым ухудшениям габаритных показателей. Однако преобразователи с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока имеют наиболее широкое применение в сравнении с преобразователями, использующими непосредственную связь.

4. Векторное управление

Векторное управление - представляет собой метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз (скалярное управление), но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора. Применение датчиков положения (скорости) ротора является обязательным для первых реализаций принципа векторного управления и алгоритмов повышенной точности.

Взаимодействие управляющего устройства с «пространственным вектором», который вращается с частотой поля двигателя и представляет собой «векторное управление».

Вращающееся магнитное поле

Вращающееся магнитное поле

4.1 Причины появления

Причина появления векторного управления заключается в том, что асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) плохо поддаётся регулированию скорости. АДКЗ – является самым массовым и дешёвым в изготовлении двигателем. Так же он надёжен и не требователен в эксплуатации. Конструкция АДКЗ позволяет не использовать механические коллекторы и контактные кольца.

Первоначально асинхронный двигатель применялся для нерегулируемых приводов, а также для приводов с механической регулировкой. Специальные многоскоростные АДКЗ лишь ступенчато позволяли изменять скорость (от двух до пяти ступеней). Однако такая система управления стоила значительно дороже, поскольку требовалась станция управления. При всём этом было не возможно автоматически поддерживать скорость двигателя при изменении нагрузки.

Позже был разработан метод скалярного управления контроля скорости двигателя. Однако в переходных процессах при скалярном регулировании потокосцепление ротора изменяется, что приводит к снижению темпа изменения электромагнитного момента, что ведет к ухудшению характеристики в динамике. Это происходит из-за изменения токов статора и ротора.

В отличие от АДКЗ, двигатель постоянного тока (ДПТ) просто поддаётся управлению. Регулировка может осуществляться как изменение напряжения на якоре, с постоянным номинальным потоком возбуждения или как изменение напряжения на обмотке возбуждения (ослабление потока возбуждения), с постоянным напряжением на якоре. Но ДПТ имеет большую стоимость, эксплуатационные затраты и меньшую надёжность из-за механического коллектора.

Идеей векторного управления было создание такой системы управления АДКЗ, в которой, подобно ДПТ можно раздельно управлять моментом и магнитным потоком, при этом поддерживается на постоянном уровне потокосцепление ротора и, значит, изменение электромагнитного момента будет максимальным.

4.2 Математический аппарат

Для СД и АД принцип векторного управления можно сформулировать следующим образом. Первоначально система дифференциальных линейных уравнений трёхфазного двигателя преобразуется в систему уравнений обобщённой двухфазной машины, которая имеет две фазы (расположенные пространственно под 90° относительно друг друга) на статоре и две фазы на роторе, также взаимно расположенных. Затем все вектора, описываемые данной системой проецируются на произвольно вращающуюся ортогональную систему координат, с началом на оси ротора, при этом наибольшая простота уравнений получается при вращении системы координат со скоростью поля машины, кроме того при таком представлении уравнения вырождаются и становятся похожими на уравнения ДПТ, проецирование всех векторов на направление поля машины отражается в названии этого метода — «ориентирование по полю». Фактически вторым этапом формирования величин, ориентированных по полю — это замена обмоток двухфазной обобщённой машины (две на статоре и две на роторе) одной парой взаимно перпендикулярных обмоток, вращающихся синхронно с полем. Кроме характеристик, близких к характеристикам ДПТ, АДКЗ с ориентированием по полю имеет предельно допустимое быстродействие при управлении моментом в режиме поддержания постоянства потокосцепления.

Уравнения электромагнитых процессов, записанные относительно токов статора и потокосцеплений ротора в синхронной ортогональной системе координат, ориентированной по вектору потокосцепления ротора имеют вид:

Уравнения электромагнитных процессов

Рисунок 2 – Уравнения электромагнитных процессов

где:

Ls, Lr, Lm — соответственно индуктивности статора, ротора и взаимная; Rs, Rr — соответственно активные сопротивления статора и ротора; Id, Iq — проекции токов на оси d и q; Tr — постоянная времени роторной цепи.

При этом могут быть два варианта метода:

  1. Ориентирование по полю ротора.
  2. Ориентирование по полю главного потокосцепления.

Питание АД и СД в режиме векторного управления осуществляется от инвертора, который может обеспечить в любой момент времени требуемые амплитуду и угловое положение вектора напряжения (или тока) статора. Измерение амплитуды и положение вектора потокосцепления ротора производится с помощью наблюдателя (математический аппарат позволяющий восстанавливать неизмеряемые параметры системы).

4.3 Варианты режимов работы векторного управления

Векторное управление подразумевает наличие в звене управления математической модели (далее — ММ) регулируемого электродвигателя. В зависимости от условий эксплуатации электропривода возможно управление электродвигателем как в режимах с обычной точностью, так и в режимах с повышенной точностью отработки задания на скорость или момент.

В связи с вышесказанным представляется возможным произвести классификационное разделение режимов управления по точности ММ электродвигателя, используемой в звене управления:

  1. Использование ММ без дополнительных уточняющих измерений устройством управления параметров электродвигателя (используются лишь типовые данные двигателя, введенные пользователем).
  2. Использование ММ с дополнительными уточняющими измерениями устройством управления параметров электродвигателя (то есть активных и реактивных сопротивлений статора/ротора, напряжения и тока двигателя).

В зависимости от наличия или отсутствия датчика обратной связи по скорости (датчика скорости) векторное управление можно разделить на:

  1. Управление двигателем без датчика скорости — при этом устройством управления используются данные ММ двигателя и значения, полученные при измерении тока статора и/или ротора.
  2. Управление двигателем с датчиком скорости — при этом устройством используются не только значения, полученные при измерении тока статора и/или ротора электродвигателя (как в предыдущем случае), но и данные о скорости (положении) ротора от датчика, что в некоторых задачах управления позволяет повысить точности отработки электроприводом задания скорости (положения).

Выводы

Внедряя частотно-регулируемый привод, с односкоростным асинхронным двигателем, в лифтовую установку, мы получаем эффективное средство управления движением кабины. Это ведет к повышению надежности и срока службы, и дает следующие результаты:

  1. Все механические конструкции не испытывают излишних электродинамических нагрузок, поскольку вся система привода обеспечивает идеальный S-образный режим торможения и разгона.
  2. Двигатели разгоняются и тормозят при токах в несколько раз меньших, чем при двухскоростном исполнении.
  3. Фактически не изнашивается тормозная система. Этому способствовало то, что тормозные колодки накладываются на тормозной диск при частотах вращения электродвигателя, которые почти равны нулю.
  4. Перемещение кабины плавное, без резких толчок и остановок, что обеспечивает безопасность и точность движения.
  5. В частотно-регулируемом приводе, двигатели обеспечивают заданные моменты при любой скорости.
  6. Загрузка кабины не влияет на комфорт при движении.
  7. Остановка регулируется не тормозом, а изменением частоты и напряжения.

Модернизация лифтовой установки на основе использования частотно-регулируемого привода - является отличным способом повышения качества функционирования всей лифтовой установки.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2018 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Требования, предъявляемые к лифтовым системам: http://drives.ru.
  2. Модернизация электроприводов лифтов преобразователями частоты: http://drives.ru.
  3. Частотно-регулируемый привод, принцип действия, структура: http://www.softstarter.ru.
  4. Частотный преобразователь (электропривод): https://ru.wikipedia.org.
  5. Частотные преобразователи: структура, принцип работы: http://www.softstarter.ru.
  6. Векторное управление асинхронными и синхронными двигателями: https://ru.wikipedia.org.
  7. Описание векторного управления: http://engineering-solutions.ru.
  8. Энергосбережение и энергосберегающие технологии: https://www.siemens-pro.ru.