Синтез крановых электроприводов с ограничением рывка Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.313.633.2

С. С. ВИНОГРАДОВ, А. В. ГОРДЕЕВ, И. Ю. МУЛЛИН

СИНТЕЗ КРАНОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ОГРАНИЧЕНИЕМ РЫВКА

В работе исследуется крановый электропривод, в частности подъёма. Составлена структурная схема электропривода с ограничением рывка при подъёме (опускании) груза. Определена чувствительность схемы в различных режимах работы к изменению массы груза. Приведены результаты моделирования системы. Проведён расчёт регуляторов системы управления.

Ключевые слова: рывок, регулятор ускорения, чувствительность, электропривод подъёма, задатчик интенсивности.

Крановые механизмы являются одними из наиболее распространённых среди общепромышленных машин. Интенсивное развитие техники предъявляет все более высокие требования к этим устройствам, в частности по ограничению рывка при подъёме и ограничению раскачивания груза при перемещении. Эти задачи рассматривались в работах [1,2] и другими авторами. Развитие регулируемых электроприводов, создание новых датчиков и алгоритмов управления даёт возможность построения систем управления крановых электроприводов, более полно удовлетворяющих поставленным требованиям. Рассмотрим подробнее электропривод подъёма. На рис. 1 приведена его структурная схема.

Структурная схема составлена при следующих допущениях:

- не учитываются переменные составляющие электромагнитных переходных процессов в асинхронном двигателе (АД) и преобразователе;

- проведена линеаризация уравнения М — /(со,1/ д) [3].

На рис. 1 приняты следующие обозначения: ЗИ - задатчик интенсивности [3]; КП, Тп - коэффициент и постоянная времени преобразователя; Км - коэффициент, связывающий момент МдВ

и напряжение V д; Тэ - электрическая постоянная времени АД; р - оператор Лапласа;

Кт, Тт - коэффициент и постоянная времени электромагнитного тормоза (ЭМТ); /3 - модуль жёсткости механической характеристики; Тм - электромеханическая постоянная времени; Кр - коэффициент редуктора. ___________

Кп А ид

Тпр +1 ТэР + 1

I

^м(р)

1 1 1 Д Ф I ^ КР

ртмР 1--ъ^- 1 1 Р

А1

ЗИ / ч Г

/ Ттр + 1

Рис. 1. Структурная схема электропривода подъёма

Виноградов С. С., Гордеев А. В., Муллин Н. Ю., 2012

На вход системы управления поступает релейный сигнал с кнопочного поста, который через за-датчик интенсивности управляет работой преобразователя. На механизм подъёма в этом случае действуют момент двигателя МдВ, момент груза Мгр и момент ЭМТ. Знак Мгр зависит от направления вращения двигателя и он может быть для АД нагружающим (подъём) или разгружающим (спуск). ЭМТ стопорит вращение вала двигателя, даже если присутствует груз. Поэтому при действующем ЭМТ на вход звена IVу (р) сигнал не поступает.

Для предотвращения рывка необходимо, чтобы в момент отключения тормоза на электроприводе подъёма устанавливался удерживающий момент, соответствующий грузу. Этого можно достичь двумя способами:

- установить измеритель веса груза и по его сигналам вычислять начальное напряжение задания на электропривод подъёма;

- на начальном этапе работы электропривод подъёма включить как позиционный с нулевым заданием.

Рассмотрим второй способ. В этом случае можно использовать простейший датчик положения, например импульсный, с подачей сигнала на реверсивный счётчик. При снятии тормоза и подаче питания на электропривод подъёма позиционная система будет удерживать груз на заданном уровне, при этом электропривод будет автоматически развивать момент, требуемый для удержания груза. После завершения переходного процесса сигнал с выхода регулятора положения запоминается и подаётся напряжение задания на вход задатчика интенсивности. Темп нарастания его сигнала соответствует допустимому уровню рывка, а значение подаваемого напряжения - уровню ускорения. На вход регулятора ускорения поступают сигналы с задатчика интенсивности и сигнал обратной связи с датчика ускорения, начинается управляемый разгон электропривода подъёма из режима удержания груза. При снятии напряжения на входе задатчика интенсивности осуществляется управляемое замедление до режима удержания. Затем включается тормоз и отключается питание электропривода. Структурная схема такой системы приведена на рис. 2.

На рис. 2 приняты обозначения:

РП - регулятор положения;

РУ - пегулятор ускорения;

РС - регулятор скорости;

ЗУ - запоминающее устройство;

Ку, Кс, К/ - коэффициенты обратных связей по ускорению, скорости и положению.

Проведём расчёт регуляторов в разрабатываемой системе. На первом этапе электропривод работает в следящем режиме, компенсируя воздействие момента нагрузки. Структура привода построена по подчинённому принципу регулирования и контур скорости настроен на технический оптимум. Преобразованная структурная схема электропривода для этого режима приведена на рис. 3.

Рис. 2. Структурная схема электропривода подъёма с ограничением рывка

1 /кс

2Тр(Тр +

Рис. 3. Преобразованная структурная схема электропривода для первого этапа работы

Определим параметры регулятора положения для этого случая. Передаточная функция замкнутой системы по возмущающему воздействию имеет вид

»V (р) =

2ТКР/ТМ

(2Тр + \)р+Кг,К1

(1)

К

КРП (р)

С

Для ограничения рывка в этом режиме работы переходный процесс в системе должен быть апериодическим. Приведём характеристическое уравнение системы, полученное из выражения (1), к нормированному виду:

(2Тр + \)р + ^-ЖРП(р)

К

Т?1Р2+2£нТнР + и

(2)

С

где Тн и - постоянная времени и коэффициент демпфирования нормированного уравнения. Переходные процесс в системе будут носить апериодический характер при условии < 1. Ис-

ходя из этого, по выражению (1) найдём значение У^РП{р) :

КРП(р) = КРП » Кс

8 ТКРК1

(3)

После завершения переходного процесса первого этапа (момент времени ) запоминающее устройство фиксирует выходное значение регулятора положения и сохраняет его до момента включения тормоза.

При наступлении второго этапа работы подаётся сигнал на вход задатчика интенсивности, и выход регулятора ускорения подключается к сумматору, куда так же поступает фиксированный сигнал с запоминающего устройства. Начинается управляемый процесс разгона двигателя с ограничением рывка.

Выполним расчёт регулятора ускорения. Преобразованная структурная схема электропривода для этого режима приведена на рис. 4.

Передаточная функция разомкнутого контура регулирования ускорения И^у (р) определяется по

выражению:

зи РУ -

2Т1 р2 + 2Тр +1

АУ

—^ р

Д V

Ку

Рис. 4. Преобразованная структурная схема электропривода для второго этапа работы

Wy{p)*Wpy(P)^-^-KpKyP- (4)

2 Tp + 1

Рассчитаем регулятор ускорения из условия апериодичности переходных процессов:

Wpy{p)= Кру (ТруР + 1К (5)

ТРур(Тур + \)

где Кру, Тру, Гу - коэффициент и постоянные времени регулятора, которые выбираются из соотношений:

Т -от v ~ 2ТКс 1 ру ~ ' Л ру —

КуКр

Постоянная времени Ту определяет быстродействие контура ускорения, поэтому передаточная функция замкнутого контура регулирования ускорения IV(р) определяется выражением

ФКу{р) = -^(6)

Тур + 1

На рис. 5-8 приведены результаты моделирования рассматриваемой системы.

Оценим чувствительность рассматриваемой системы к изменению массы груза пц , которое отражается на значении постоянной времени Тм . Для первого этапа работы можно получить передаточную функцию, связывающую рывок и момент нагрузки

-—-> <7>

ТиРФэР + Ъ + ТЬ

где Тм - реальное значение постоянной времени;

Тм - расчётное значение постоянной времени. По известным формулам [3] определим чувствительность передаточной функции (7) к параметру Тм

Рис. 5. Подъём груза массой Ш — Г)1\

Рис. 6. Опускание груза массой т — Ш

Рис. 7. Подъём груза массой 171 = 0,5 77? |

6.5-5.35-6.2« 4.65-3.3. 3.25-

1.3 0.66

-0.86 -1.3 -1.55 •2.8 •3.25 -3.8'

1 * —-- * а. — _ ——- V4

А к (

4

||1 9 А 1 ирп

у* г 1 % 1

г •

у я \

/ и

У V 1 *

А у

и -в» —1 • 1а \

0. >5 0 у* •в 0 ? л 1 ^3 " "о г о. >5 0 4 0. 15 0 5 0. 55 0 б 0. >5 0 7 "о. * о г й. >"5- 0 3 0. ,5 Р

1

Рис. 8. Подъём груза массой Ш = 2/77

Из выражения (8) видно, что чувствительность будет возрастать со снижением Тм .

Для второго этапа работы передаточная функция, связывающая рывок с задающим сигналом ускорения, имеет вид

кп2(р)

р(2Тр +1 )/Ку

2Тр + 1 + {Тур + 1)(2 Тр + а)

(9)

Для передаточной функции (9) функция чувствительности определяется выражением

С _

О у. ~

I м

-{ТуР + \)ос

2Тр + 1 + (Ту р + 1)(2Тр + а)

(10)

Из выражения (10) видно, что чувствительность будет возрастать со снижением .

* м

Полученные результаты согласуются с графиками р на рис. 7,8. Снизить чувствительность к изменению Тм можно двумя способами:

- изменять режим разгона воздействием на задатчик интенсивности (изменение времени интегрирования);

- выполнять настройку регулятора скорости из условия Т^ = ГПШ(Г^ ) .

Исследования приведённой системы показывают эффективность влияния обратной связи по ускорению и двухэтапного режима работы электропривода подъёма для ограничения рывка.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Черноусько, Ф. Л. Управление колебаниями / Ф. Л. Черноусько, Л. Д. Акуленко, Б. Н. Соколов. -М.: Наука, 1980.-384 с.

2. Герасимяк, Р. П. Динамика асинхронных электроприводов крановых механизмов / Р. П. Гера-симяк. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 168 с.

3. Справочник по автоматизированному электроприводу / под ред. В. А. Елисеева, А. В. Шинян-ского. - М.: Энергоатом издат, 1983.-616 с.

4. Розенвассер, Е. Н. Чувствительность систем автоматического управления / Е. Н. Розенвассер, Р. М. Юсупов. - Л.: Энергия, 1969. - 208 с.

Виноградов Сергей Сергеевич, ведущий инженер ОАО «Альфабанк». Имеет 5 научных трудов. Гордеев Андрей Валерьевич, в 2010 поступил в магистратуру Ульяновского государственного технического университета на специальность «Вычислительная техника». Имеет 7 научных трудов. Муллин Игорь Юрьевич, ассистент кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» энергетического факультета УлГТУ. Имеет 15 научных трудов, автор 2 изобретений.