Автоматизированный электропривод конвейеров

- плавный пуск и торможение (для предотвращения пробуксовывания ленты или раскачи-вания груза у ленточных и подвесных);

- небольшое регулирование скорости в диапазоне 1:2 (для изменения темпа работы у поточных линий);

- согласованное вращение электроприводов (для нескольких конвейеров).

Электродвигатели.

АД с КЗ-ротором и повышенным пусковым моментом, односкоростные или многоскоростные (с переключением числа пар полюсов). Примечание — Для регулирования скорости однодвигательного привода конвейера применяются дополнительные вариаторы механические или регулируемые электрические и гидравлические муфты.

АД с фазным ротором:

- на конвейерах, требующих повышенного пускового момента;

- при многодвигательном приводе конвейеров (для выравнивания нагрузок отдельных двигателей);

- при обеспечении согласованного движения конвейеров.

Многодвигательный привод применяется при большой протяженности конвейеров. Использование нескольких приводных станций позволяет избежать больших напряжений в механизмах, перегрузки участков, уменьшить габариты тягового органа и величину тяговых усилий.

При этом тяговый орган каждой приводной станции передает усилие, пропорциональное статическому сопротивлению только одного участка, а не всего конвейера.

Выбор места установки приводных станций определяется в соответствии с диаграммой изменения усилий натяжения.

Оптимальное количество приводных станций определяется техникоэко- номическими расчетами.

Приводные АД с КЗ-ротором должны иметь одинаковые параметры, у АД с фазным ротором характеристики в соответствие можно привести введением дополнительных сопротивлений в цепь их роторов.

Электропривод синхронного вращения.

Есть механизмы, привод которых состоит из одинаковых двигателей (два и более), требующих вращения с
равными скоростями. Примерами могут быть механизмы башенных кранов, створов разводных мостов, ворот шлюзов, конвейеров, где требуется согласованное враще­ние электродвигателей, а соединение их механическим валом невозможно. В этом случае применяется электрическая связь между роторами асин­хронных (АД) или синхронных (СД) двигателей, называемая электрическим валом [8].

Существует несколько специальных схем, реализованных по принципу “электрического вала”:

- схема “электрического вала” с вспомогательным АД (рис. 4);

Рис. 4

В состав схемы входят два главных двигателя (ГД1, ГД2), приводящие в движение, соответственно, «механизм 1» и «механизм 2». Они имеют одинаковые характеристики.

На каждом валу «ГД1» и «ГД2» смонтированы вспомогательные асинхронные двигатели «АД1» и «АД2», фазные роторы которых соединены электрически. Мощность вспомогательных электродвигателей значительно меньше мощности главных.

Обмотки статоров ГД включены в сеть с прямым чере­дованием фаз, а вспомогательных — с обратным. При не равенстве нагрузок на механизмы, различаются скорости вращения роторов ω1
и ω2
, возникает ЭДС, под действием которой появляются уравнительные токи, создающие моменты М1
, М2
, которые будут противодействовать вызвавшей из причине (закон Ленца) до тех пор, пока ω1
и ω2
не уровняются.

Достоинства: большая эффективность и жесткая механическая характе­ристика.

- схема “электрического вала” с резисторами (рис. 5);

Рис. 5

В состав схемы входят два приводных асинхронных двигателя с фазным ротором (АД1, АД2) и резисторы (R). Схема работает аналогично схеме с вспомогательными АД.

Недостатки схемы (по сравнению с предыдущей): меньшая эффективность, т. к. вспомогательные моменты M1
и M2
значи­тельно меньше; наличие резисторов в цепи ротора уменьшает жесткость характери­стик и вызывает дополнительные потери электроэнергии.

Достоинство (по сравнению с предыдущей): схема проще, дешевле и меньше по габаритам.

- схема “электрического вала” двойного питания (рис. 6);

Рис. 6

В состав схемы входят два приводных двигателя с фазным ротором Д1, Д2 и преобразователь частоты (ПЧ). Статорные обмотки ПЧ, Д1 и Д2 подключены к сети, а ро­торные связаны электрически.

При вращении ПЧ частота в роторах будет пропорциональна скольжению, скорость вращения всех машин будет одинаковой и равной . Это справедливо при равных нагрузках на механизмах.

При увеличении нагрузки одного механизма (например, первого), скольжение его увеличится, а скорость снизится. При новом скольжении ЭДС ротора Д1 увеличится, что приведет к увеличению тока ротора, а следовательно, и его момента. Система вернется в исходное состояние и будет работать согласованно.

Для расширения пределов изменения скоростей работающих механиз­мов можно установить устройство для изменения частоты (например, меха­нический вариатор). Это позволит устанавливать (выбирать) величину согласованной скоро­сти механизмов без изменения скорости АД.

Рассмотренные схемы можно применять для любого числа согла­сованно работающих механизмов, принцип работы схемы не ме­няется.

Статические и динамические нагрузки приводов конвейера.

Ос­новной фактор, определяющий статическую нагрузку конвей­ера, — сила трения, действующая между тянущим элементом (лен­та, цепь и др.) и поддерживающим устройством (ролики, моно­рельс, канат и др.).

Силы трения возникают в подшипниках вращающих элемен­тов, местах контакта роликов и катков с опорой, тяговом элемен­те при его изгибах. Вследствие значительной протяженности кон­вейера и большого количества движущихся элементов эти силы составляют значительную часть суммарной статической нагрузки, а для горизонтальных конвейеров определяют всю статическую нагрузку привода.

Статическая нагрузка конвейера в значительной степени зави­сит от конструкции и массы тягового органа (масса определяется передаваемым усилием). Поэтому мощность двигателя в процессе проектирования конвейера выбирают с учетом статической на­грузки конвейера.

Силы сопротивления движению конвейера можно разделить на две категории: силы, не зависящие от натяжения тягового эле­мента, и силы, зависящие от этого натяжения. Первые возникают на прямолинейных горизонтальных и наклонных участках и рас­пределены по участку равномерно. Вторые возникают на участках изгиба тягового элемента и сосредоточены на дуге этого участка.

Динамические нагрузки привода конвейера возникают в про­цессе пуска и определяются движущимися массами собственно конвейера и его приводной станции:

Для тяжелых конвейеров динамическое усилие из-за большой массы поступательно движущихся элементов может оказаться зна­чительным и существенно превысить силу статического сопротив­ления. При этом слагаемое, вызванное массой поступательно дви­жущихся элементов, может составлять 90 % и более результирую­щего динамического усилия [1].

Расположение электроприводов на конвейерных линиях.

Для общего случая конвейерной трассы со сложной конфигу­рацией определить заранее однозначно оптимальное местораспо­ложение привода не удается. Поэтому рассматривают несколько вариантов расположения приводной станции.

При выборе исходят из следующих условий. Привод должен устанавливаться в конце рабочего участка, что позволяет разгру­зить последующую холостую ветвь конвейера от больших натяже­ний рабочего участка. Если в конвейере имеется несколько рабо­чих участков, то для рассмотрения выбирают наиболее тяжелый, на котором происходит максимальное нарастание натяжения, а также участок, предшествующий самой длинной холостой ветви. Располагая привод в конце самого тяжелого участка, можно су­щественно уменьшить максимальные натяжения на последующих рабочих участках. Размещение привода перед самой длинной хо­лостой ветвью позволяет снизить среднее по трассе натяжение. Для конвейеров, работающих на спуск грузов при тормозном режиме работы привода, последний устанавливается в начале рабочего участка по ходу тягового элемента.

Для конвейерных линий значительной протяженности и с боль­шим числом тяжелых рабочих участков может оказаться, что даже оптимальное расположение приводной станции на трассе не обес­печивает снижения максимального натяжения до допустимого уровня. В таком случае конвейер односекционного исполнения заменяют многосекционным конвейером или на тяговом элемен­те устанавливают несколько приводных станций. Поэтому при необходимости уточнить места расположения приводов следует выполнить расчет диаграммы натяжений с учетом сопротивлений на участках изгиба. Решение рассмотренной задачи часто коррек­тируется по конструктивным соображениям.

По производственным условиям размещения конвейерной ли­нии не всегда удается расположить приводы в местах, определен­ных расчетом. Расположение приводов в середине участков требу­ет установки дополнительных звездочек. Поэтому обычно места расположения приводных станций заранее определяют по произ­водственно-конструктивным соображениям и, как правило, увя­зывают с предусмотренными на трассе поворотными звездочками. Расчет диаграммы натяжения при этом носит поверочный харак­тер для определения максимального натяжения и выбора необхо­димого типа тягового элемента [1].

Особенности статики и динамики электропривода.

Наличие упругих механических свя­зей способствует возникновению колебаний, которые при небла­гоприятных условиях существенно увеличивают динамические нагрузки рабочего оборудования. Движение системы с распреде­ленными параметрами описывается дифференциальными уравне­ниями в частных производных, решение которых в общем виде математически трудно. Однако для рассмотрения физических про­цессов, возникающих в пусковых режимах конвейеров, реальная механическая система может быть представлена упрощенной ди­намической моделью, в которой распределенные массы, упруго­сти и силы заменены эквивалентными сосредоточенными.

Колебательный характер процесса пуска обусловливает дина­мические перегрузки тягового элемента. Возникшие при пуске колебания демпфируются за счет вязкого трения во всей подвиж­ной части привода и главным образом внутри тягового элемента. В конце процесса пуска, когда работа двигателя соответствует жесткой механической характеристике, колебания эффективно демпфируются самим приводом.

Для конвейеров характерны корот­кие подвески и большие частоты свободных ко­лебаний груза. Интервал продолжительного пуска конвейера вклю­чает в себя несколько периодов таких колебаний, что позволяет в ряде случаев для устранения раскачивания груза использовать метод интерференции противофазных колебаний.

Пуск выполняется в две ступени: сначала к механизму прикла­дывается половина пускового момента, а через полпериода сво­бодных колебаний момент увеличивается до полного значения. В результате средние ускорения от двух слагаемых пускового мо­мента суммируются, а периодические слагаемые ускорения ком­пенсируются. В конце процесса пуска момент привода снимается также ступенчато. При этом основная часть процесса пуска проходит с постоянным допустимым ускорением без коле­баний [1].

4. Перспективы развития систем электроприводов и автоматизации объекта

Анализ продукции ведущих мировых производителей систем привода и материалов опубликованных научных исследований в этой области позволяет отметить следующую ярко выраженную тенденцию развития электропривода: неуклонно снижается доля систем привода с двигателями постоянного тока и увеличивается доля систем привода с двигателями переменного тока. Это связано с низкой надежностью механического коллектора и более высокой стоимостью коллекторных двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока [9].

Растут требования надсистемы по диапазону и плавности регулирования частоты вращения (скорости перемещения) рабочего органа электропривода. Это привело к другому внешнему согласованию. Частоту вращения можно регулировать изменением параметров питающего двигатель напряжения, а поскольку параметры сети постоянны, то для их изменения в систему электропривода была введена новая подсистема – преобразовательное устройство (Рис. 7), ставшее и новым объектом воздействия для системы управления (управляющим устройством).

Рис. 7

Перспективные системы управления электроприводами разрабатываются с ориентацией на комплексную автоматизацию технологических процессов и согласованную работу нескольких приводов в составе промышленной сети.

Развитие асинхронного ЭП идёт как по пути развития его основных элементов: асинхронного электродвигателя, передаточного и преобразовательного устройств, так и развития электропривода в целом.

Анализ дерева эволюции асинхронного электродвигателя (Рис. 8) показывает, что геометрические преобразования с появлением линейного двигателя только начинаются. Добавляя к этому двигателю динамичность вторичного элемента: один шарнир, много шарниров, гибкие связи, можно получить двигатель со сложной траекторией движения первичного элемента (статора). Причём эта сложная траектория может меняться, сначала вручную, а затем, по мере увеличения управляемости, и автоматически [10].

Основное же направление эволюции асинхронного электропривода – это свёртывание подсистем электропривода к логическому центру, электродвигателю, с передачей ему функций преобразовательного и передаточного устройств [9].

Особенности общепромышленного частотно-регулируемого электропривода.

С ходом технического прогресса все большую остроту приобретает глобальная проблема энергосбережения, обусловленная не только ростом потребления электроэнергии в промышленности и в быту и связанной с ним необходимостью строительства и ввода в эксплуатацию новых энергетических мощностей, но и ограниченностью мировых запасов природных ресурсов.

Наибольшее распространение в практике построения САУ асинхронным электроприводом, реализующих заданные статические показатели, на раннем этапе получил простейший пропорциональный закон управления амплитудой напряжения статора в функции его частоты вида U/f = const. При таком законе управления невозможно одновременно обеспечить удовлетворительные механические и энергетические характеристики ЭП в широком диапазоне изменений частоты вращения и нагрузки вследствие влияния активного сопротивления и индуктивности рассеяния статора АД.

Наиболее перспективным в настоящее время является принцип векторного управления асинхронным ЭП, позволяющий рассматривать АД как двухканальный объект (аналог двигателя постоянного тока с независимым возбуждением) в координатной системе, ориентированной по одному из векторов потокосцеплений, и независимо воздействовать на продольную (намагничивающую) и поперечную (моментообразующую) составляющие вектора токов статора для управления магнитным состоянием машины и электромагнитным моментом соответственно. Это принципиально важно для ЭП подъемно-транспортных механизмов, предъявляющих повышенные требования к динамичности САУ по возмущающему воздействию [11].

Развитие силовой части общепромышленного ЭП и ал­горитмов управления ПЧ идет в направ­лении улучшения электромагнитной сов­местимости электроприводов с питающей сетью. В скором времени следует ожидать, что для ЭП среднего диапазона мощнос­тей непременными станут требования ка­чественного потребления и рекуперации энергии.

Все более прочные позиции завоёвывают «бездатчиковые» системы, осно­ванные на автоматическом определении параметров двигателя как объекта управ­ления и адаптивной текущей идентифи­кации координат состояния ЭП.

При построении цифровых алго­ритмов управления общепромышленных электроприводов все более широкое при­менение будут находить современные ме­тоды идентификации, адаптации и мето­ды синтеза САУ, малочувствительных к изменениям параметров [11].

Рис. 8

Список литературы

1. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: Учебник для вузов / М. П. Белов, В. А. Новиков, Л. Н. Рассудов. – М: Издательский центр “Академия”, 2004. – 576 с.

2. Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / [М. П. Белов, О. И. Зементов, А. Е. Козярук и др.] ; под ред. В. А. Новикова, Л. М. Чернигова. – М. : Издательский центра “Академия”, 2006. – 368 с.

3. ООО «СпектраСорт» – конвейеры и конвейерные системы, линии по сортировке ТБО и первичной обработки отходов бытовых пластиков.

http://spectrasort.ru/produktsiya/konveyery.html

4. Конвейеры: Справочник/Р. А. Волков, А. Н. Гнутов, В. К. Дьячков и др. Под общ. ред. Ю. А. Пертена. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. 367 с., с ил.

5. Строительные машины и оборудование: Справочное пособие для производственников-механизаторов, инженерно-технических работников строительных организаций, а также студентов строительных вузов, факультетов и техникумов. / Белецкий Б. Ф., Булгакова И. Г. Изд. второе, переработ. и дополн. – Ростов н/Д: Феникс, 2005. – 608 с.

6. ООО «Подъеммехмаш» – Производитель грузовых подъемников.

http://www.podyemnik.ru/conveyer.html

7. АВОК – некоммерческое партнерство. Инженеры по отоплению вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике. Форум: Диалог специалистов АВОК.

http://www.forum.abok.ru/.html

8. Шеховцов В.П. Электрическое и электромеханическое оборудование: Учебник. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М. 2004. – 407 с.: ил. – (Профессиональное образование).

9. Принцип действия устройств. Основные тенденции развития АЭП.

http://principact.ru/content/view/30/35/

10. В.Д. Бердоносов. Развитие электропривода (проявление законов развития технических систем в электроприводе).

http://www.metodolog.ru/01204/01204.html

11. Силовая Интеллектуальная Электроника. №2. 2005. Панкратов В.В. Тенденции развития общепромышленных электроприводов переменного тока на основе современных устройств силовой электроники.

12. НПФ "РАКУРС" Департамент электропривода. Документация.

http://www.inverter.ru/?id=145