Автоматизированный электропривод конвейеров

      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].