Схема автоматического регулирования продолжительности выпечки с коррекцией по температуре во второй зоне пекарной камеры

СОДЕРЖАНИЕ
1. Технологическаячасть
1.1 Анализработы технологического процесса и описание производственной установки
1.2 Анализ работыоператора
1.3 Определениепередаточного числа редуктора и расчет участков длин лент конвейера
1.4 Расчетнаясхема механической части электропривода
2. Выбор системыэлектропривода и автоматизации
2.1 Расчетнагрузок механизма установки и построение нагрузочной диаграммы
2.1.1 Расчетнагрузок механизма и предварительный выбор редуктора
2.1.2 Расчетнагрузок механизма на холостом ходу
2.1.3 Построениенагрузочной диаграммы механизма
2.2 Предварительныйрасчет мощности двигателя
2.3 Требованияк автоматизированному электроприводу
2.4 Патентно-информационныйпоиск по объекту проектирования
2.5 Предварительныйвыбор двигателя, способа управления и комплектного преобразователя
2.5.1 Выборспособа управления и двигателя
2.5.2 Выборкомплектного преобразователя
3. Технико-экономическоеобоснование рациональной системы электропривода
4. Расчетэлектромеханических процессов в электроприводе
4.1 Построениенагрузочной диаграммы с учетом регулирования координат электропривода
4.2 Проверкавыбранного электропривода по перегрузочной способности и нагреву
5. Расчет ипроектирование силовой схемы автоматизированного электропривода
5.1 Выборсглаживающего дросселя
5.2 Выборсиловых диодов
5.3 Выборконденсаторов силового фильтра
5.4 Выборсиловых транзисторов
5.5 Выборконденсаторов входного фильтра
5.6 Выбортормозного резистора
6. Проектированиесистемы автоматического управления
6.1 Математическоеописание объекта управления
6.1.1Математическоеописание асинхронного электродвигателя из уравнений обобщенной машины
6.1.2 Математическоеописание асинхронного электродвигателя в установившихся режимах
6.1.3 Составлениеструктурной схемы частотно-регулируемого асинхронного двигателя
6.2 Расчетосновных параметров для функциональной схемы САУ
6.2.1 Определениепотерь мощности в электродвигателе
6.2.2 Расчетпараметров схемы замещения
6.3 Синтезрегулятора момента
6.4 Построениестатических характеристик электропривода
6.5 Проверкаэлектродвигателя по нагреву при работе на нижней скорости.
7. Анализдинамических характеристик технологической установки
7.1 Моделированиединамики технологической установки
7.2 Определениепоказателей переходных процессов
8. Выбор ипроектирование систем автоматизации производственной установки
8.1 Формализацияусловий работы установки
8.2 Разработкаалгоритма управления
8.3 Разработкаалгоритма управления
8.4 Выбораппаратов.
8.4.1 Выборпрограммируемого контроллера и составление программы
8.4.2Выбораппаратов
9. Конструктивнояразработка пульта управления
10.  Проектированиесхемы электроснабжения и защиты установки
10.1 Выбораппаратов и кабелей
10.2 Проектированиезащит
11.  Наладка идиагностика электропривода и системы автоматизации установки
11.1 Наладкаи диагностика электропривода
11.2 Наладкасистемы автоматизации
12. Охрана труда
12.1 Правилаэксплуатации хлебопекарной печи
12.2 Техникабезопасности и охрана труда
12.3 Расчетзануления
13. Технико-экономическиепоказатели
13.1 Общиесведения
13.2 Расчетначальных затрат
13.3 Определениеэксплуатационных затрат
13.4 Анализполученных технико-экономических показателей

ВВЕДЕНИЕ
 
Употреблениечеловеком в пищу зерна хлебовых злаков и продуктов его переработки имеет своюисторию, исчисляемую тысячелетиями.
В дореволюционной Беларусипромышленное производство осуществлялось в основном в мелких кустарныхмеханизированных пекарнях. В первые годы после революции была произведенанационализация хлебопекарных предприятий и производство хлеба былососредоточено в более крупных и относительно лучших пекарнях. Современноехлебопекарное производство в Беларуси сосредоточено в основном на крупныххлебозаводах. На этих предприятиях произведена полная механизация и автоматизациивсех основных производственных операций, из которых слагается процессприготовления хлеба.
Самой сложной и ответственнойоперацией приготовления хлеба является выпечка. Выпечка – это процесс прогреварасстоявшихся тестовых заготовок, приводящий к их превращению из состояниятеста в состояние хлеба. Для выпечки хлеба и хлебных изделий обычно применяютсяпечи, в которых тепло выпекаемому тесту-хлебу передается термоизлучением иконвенцией при температуре теплоотдающих поверхностей 300 – 400 ˚С и средыпекарной камеры 200 – 250 ˚С. Самым оптимальным вариантом автоматизациипроцесса выпечки является автоматическое регулирование влажности в зонепароувлажнения печи, температур корки и мякиша выпекаемой продукции. Однакосоздание такой системы регулирования затруднительно из-за несовершенстваприборов измерения влажности и температуры мякиша. Поэтому применяют косвенныесхемы регулирования.
В данном дипломном проекте необходиморазработать одну из таких схем. Необходимо спроектировать схему автоматическогорегулирования продолжительности выпечки с коррекцией по температуре во второйзоне пекарной камеры, где происходит выпечка мякиша. Применение такой схемыавтоматизации должно привести к улучшению качества выпеаемой продукции иуменьшению брака.

1.ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
 
1.1 Анализ технологического процесса и описаниепроизводственной установки
Тепловая, точнее гигротермическаяобработка теста является процессом, завершающим превращение его в готовыйпродукт (хлеб, хлебобулочные изделия, печение, баранки или полуфабрикаткондитерских изделий, подвергающийся отделочным операциям, после которых онстановится готовым продуктом (пироженым, тортом, пряником и т.д.)) [1].
В пекарной камере хлебобулочной,кондитерской или бараночной печи должен быть создан такой режим процессавыпечки, который обеспечил бы получение продукта высокого качества.
Исследованиями советских ученых Н. И.Краснонцева, А. С. Гинзбурга, А.А. Михелева установлены основныетеплофизические закономерности, происходящие при выпечке. В основу расчета ипроектирования новых конструкций и модернизации действующих печей для выпечкихлеба, печенья, баранок и другого ассортимента должны быть принятыустановленные исследованиями закономерности переноса тепла и влаги в процессевыпечки.
Выпечка является сложным комплекснымпроцессом, состоящим из теплофизического, коллоидного, микробиологического ибиохимического процессов, в результате которых тесто превращается в готовыйпродукт: хлеб, баранки, печенье и т. д. Основным фактором, обуславливающимпроцесс выпечки, является подогрев теста-хлеба.
При повышении температуры теста в немпроисходят химические реакции со значительным выделением углекислого газа,являющимся рыхлителем теста. В результате объем тестовой заготовкиувеличивается. Изменение ее объема происходит до тех пор, пока тесто непрогреется до такой температуры, при которой происходит денатурация белков, ана поверхности образуется плотный слой корки, после чего изменение объематеста-хлеба практически не происходит.
В течении первых минут выпечкиподовых сортов хлеба, хлебобулочных изделий и другого ассортимента происходитинтенсивное увлажнение среды пекарной камеры (в некоторых случаях в моментпосадки увлажняется поверхность тестовых заготовок водой, распыляемой припомощи специальных водяных форсунок).
При насыщении насыщенным порам онконденсируется на холодной поверхности теста; в результате этого на поверхноститестовой заготовки образуется тонкая эластичная пленка растворенного теста;благодаря этому задерживается образование корки и создаются условия дляувеличения объема тестовой заготовки без разрывов ее поверхности. Поверхностьподового хлеба получается гладкая, глянцевитая, с красивым цветом. При выпечкепечения с увлажнением его уменьшается продолжительность прогрева и улучшается качествопечения.
При выпечке баранок тестовыезаготовки сначала обвариваются в кипящей воде или ошпариваются паром; при этомцентральный слой теста прогревают примерно до 50-60˚С, а поверхностныйслой – до 60-70˚С. В результате этого в бараночном тесте начинаютсяпроцессы клейстеризации крахмала и денатурации белков. Образовавшийсядостаточно прочный «белковый скелет» при дальнейшем процессе практическиобеспечивает постоянный объем бараночных изделий. В процессе обварки илиобшпарки на поверхности тестовых заготовок образуется пленка растворенноготеста, которая при дальнейшем прогреве спосрбствует образованию глянцевистойповерхности.
Печь хлебопекарная с электрообогревоммарки А2-ХПЯ-25(в дальнейшем печь) предназначена для выпечки широкогоассортимента хлеба и булочных изделий. Печь в составе механизированной линиихлеба или булочных изделий устанавливается на хлебопекарных предприятиях [2].
Технические данные печи приведены втаблице 1.1:
Табллица 1.1Техническая производительность подового хлеба массой 0.8 кг из смеси ржаной и пшеничной муки II сорта, кг/ч  520 Техническая производительность печи при выпечке батонов нарезных массой 0.4 кг из пшеничной муки I сорта, кг/ч 642
Рабочая площадь пода, м2 Техническая производительность печи при выпечке хлеба  25 Ширина пода, м  2.1 Пределы регулирования продолжительности выпечки, мин  17…72 Длина печи, мм  15300 Ширина печи, мм  3052 Высота печи, мм  1420
Некоторые сведения о параметрахтехнологического процесса при выпечке некоторых видов хлебопекарных изделийприведены в таблице 1.2:
Таблица 1.2 Наименование продукции Масса, кг  Сорт Температура в зонах пекарной камеры,°С Продолжитель-ность выпечки, мин  I  II  III Батон «Домашний»  0.4  I или высший 190-230 240-270 220-260  22-24 Хлеб «Злаковый»  0.8  I 270-290 260-280 210-250  40-42 Батон «Славянский»  0.2  I или высший 180-220 240-270 210-250  18-22
Печь поставляется на место монтажа ввиде отдельных сборных единиц. Печь (рис 1.1) относится к печам туннельноготипа с подвижным сетчатым подом (1), который приводится в действиеэлектродвигателем, установленным на приводе (2). Сетчатый под натянутбарабанами приводной (3) и натяжной (16) станциями. Пекарная камера печисекционная, собирается из секций, установленных в корпусах (4, 5, 6). Корпусазакрываются ограждениями (7, 8, 9, 10, 11, 12), имеющие двери для доступа кэлектронагревателям, установленным в пекарной камере.
На входе в печь над натяжной станциейустановлен зонт (13), служащий для отвода паро-воздушной среды, выходящей изпосадочного устья. Такой же зонт (14) установлен и на выходе печи и служит дляотвода паров упека. Зонты соединены системой газоходов (33) с вытяжнымвентилятором. Над зонтом (14) устанавливается опрыскиватель готовой продукции(17). Высоту посадочного и выгрузного устьев можно регулировать с помощьюшиберов, ручки управления которых (18) и (19) выведены на зонты (13) и (14).Паропровод через патрубок (30) подсоединяется к конденсаторному баку (24).
Силовой распределительный шкаф (15)устанавливается у печи в районе ограждения последнего корпуса (6). Силоваячасть электрооборудования размещается на печи (электрообогреватели,электродвигатели приводов: сетчатого ленточного конвейера, механизма очисткисетки, устройства опрыскивания готовой продукции, вентилятора). В последнейсекции печи устанавливается щит управления (20), получающий питание от силовогораспределительного шкафа (15) по кабелю (21). В корпусах, за дверямиохлаждения, расположены рукоятки управления (23) с заслонками пекарной камеры,а так же ручки шиберов (22) регулирования количества отсоса паро-воздушнойсреды из-под зонтов. Принудительное удаление паро-воздушной среды из пекарнойкамеры в атмосферы может осуществляться вентилятором (26) или, при отключениивентилятора, за счет естественной тяги.
Раструб (29) крепится одной сторонойк каркасу, а другой к отсасывающему газоходу пекарной камеры. На поверхностькорпуса выведены: рукоятка (27) шибера (31), регулирующего отсос из-под зонтов.Для наблюдения за процессом выпечки в корпусе предусмотрено окно (36).
Печь работает следующим образом:после расстойного шкафа тестовые заготовки поступают на сетчатый под (1),который транспортирует их в пекарную камеру печи. Пекарная камера разбита на 4температурные зоны. Нулевая зона находится на участке гидротермическойобработки и включает в себя 12 нагревателей (35). Первая зона включает в себя26, вторая – 38, третья –
12 нагревателей. Электронагревателирасположены в пекарной камере печи сверху и снизу сетчатого пода с двух сторонпо ширине и с определенными шагами по длине пекарной камеры          (графическаячасть: лист 1). В передней части пекарной камеры находится зона пароувлажнения(41), где тестовые заготовки последовательно походят все тепловые зоны пекарнойкамеры, где выпекаются за время, соответствующее технологическим требованиям наизделия. Кинематическая схема механизмов печи приведена на рис. 1.2.Кинематическая схема механической части электропривода сетчатого пода состоитиз электродвигателя (1) АИР80В4 Р=1.5 кВт, n=1430 об/мин, клиноременнойпередачи D90-D180 (2) от электродвигателя кблок-вариатору 11РАХ-02х190х6х50 TGL1293 (7), цепной передачи z=18 (8), z=85(9), звездочка (8) выполнена в блоке с храповым механизмом, отключающимблок-вариатор при применении ручного привода, храповый механизм позволяет такжепревращать касательное движение рукоятки ручного привода во вращательноедвижение приводного вала.
Кинематическая схема механизма щеткидля очистки сетчатого пода состоит из электродвигателя 4A100L6 Р=2.2 кВт,n=1000 об/мин (16), клиноременной передачи со шкивами (17, 18), цепной передачисо звездочками z=17 (19) и z=48 (20), вторая звездочка (20) насажена на валщетки. Кинематическая схема механизмов опрыскивания состоит из мотор-редуктораМЦ2С 63-71-КУЗ (21) и цепной передачи z1=z2=8 (22 и 23). Кинематическая схемамеханической части электропривода вентилятора состоит из электродвигателя (20)4A90l4 P=2.2 кВт, n=1500 об/мин, приводного вала (24) и рабочего колесавентилятора ВЦ4-75 №5 (22).

1.2 Анализ работы оператора
Для обеспечения обслуживания операторомпредусматривается: дистанционное управление электродвигателями: конвейера подапечи, вентилятора, механизма очистки сетки, механизма опрыскивания, исигнализации об их включении; а также автоматическое регулирование и контрольтемпературы в пекарной камере по зонам печи.
При обслуживании хлебопекарной печиоператор выполняет следующие операции:
1. Включает вводныеи автоматические выключатели в распределительном шкафу, подавая напряжение вщит управления и механизмы печи.
2. Включаетмеханизмы печи: электронагреватели, электродвигатели механизмов установки.
3. ТЭНы включаютсяотдельно в зависимости от вида выпекаемой продукции.
4. Операторунеобходимо с помощью маховика блок-вариатора необходимое время выпечки,заданное по технологической карте на изделия.
5. Операторунеобходимо с помощью ручки регуляторов температуры установить необходимыезначения температуры по зонам пекарной камеры.
6. Операторунеобходимо следить за качеством выпекаемой продукции и в случае необходимостикорректировать время выпечки.
7. Операторунеобходимо следить за технологическим процессом и в случае аварии необходимоотключить все механизмы печи и электронагреватели.

1.3 Определениепередаточного числа редуктора и расчет участков длин ленты конвейера
Кинематическая схема механическойчасти электропривода сетчатого пода представлена на рис. 1.3.
Целью данного дипломного проектаявляется модернизация привода ленточного конвейера. Продолжительность выпечкинеобходимо регулировать электрически, т.е. регулировать скорость вращенияприводного двигателя. В связи с этим на кинематической схеме (рис. 1.3)блок-вариатор заменен редуктором. По кинематической схеме определимпередаточные числа элементов кинематической цепи.
Передаточное число клиноременнойпередачи:
/>.
Передаточное число цепной передачи (5),(6):
/>.
Передаточное число цепной передачи (7),(8):
/>.
Передаточное число цепной передачи (10),(11):
/>.

Рассчитаем участки длин лентыконвейера. Имеем исходные данные для расчета (табл. 1.3):
Таблица 1.3
 Sp
Рабочая площадь пода, м2  25
 bp Рабочая ширина пода, м  2.1  t Пределы регулирования времени выпечки, мин  12…72  β Угол загрузки,°  10
 Rб Радиус приводного барабана, м  0.125
 l31 Длина печи, м  15.3
Рабочая длина пода:
/>.
Длина участка l12:
/> м.
Длина участка l23:
/> м.
Рассчитаем линейные скорости движенияленты конвейера, исходя из значений пределов регулирования времени выпечки: tmin=12 мин и tmax=72 мин.
Максимальная линейная скорость:

/> м/с.
Минимальная линейная скорость:
/> м/с.
Определим требуемое передаточноечисло редуктора. При этом будем
ориентироваться на асинхронныйэлектродвигатель с короткозамкнутым ротором с pп=2, где: pп – число пар полюсов.
/>.
Определим требуемоепередаточное число редуктора
/>
1.4. Расчетнаясхема механической части электропривода
Расчетная схема механической частиэлектропривода приведена на рис.1.4.а. На схеме использованы обозначения:
Jэв – момент инерции приводногодвигателя;
Jшк2 – момент инерции ведущего шкива (2);
Jшк3 – момент инерции ведомого шкива (3);
Jбвр – момент инерции быстроходного валаредуктора;
Jтвр – момент инерции тихоходного валаредуктора;
Jz5 – момент инерции звездочки (5);
Jz6 – момент инерции звездочки (6);
Jz7 – момент инерции звездочки (7);
Jz8 – момент инерции звездочки (8);
Jмуф – момент инерции предохранительноймуфты (9);
Jz10 – момент инерции звездочки (10);
Jz11 – момент инерции звездочки (11);
Jпб – момент инерции приводногобарабана(12);
Jр – момент инерции промежуточного ролика;
Jнб – момент инерции натяжного барабана;
m12 – масса участка ленты 1-2;
m23 – масса участка ленты 2-3;
m31 – масса участка ленты 3-1;
с12 – жесткостьклиноременной передачи;
с23 – жесткость зубчатойпередачи редуктора;
с34, с45, с56– жесткость цепных передач;
стэк – эквивалентнаяжесткость тягового органа;
М – вращающий моментэлектродвигателя;
ω1…ω6 – угловыескорости вращения элементов кинематической цепи;
υ1…υ3 – линейныескорости движения участков цепи;
Мс1…Мс6 –статические моменты нагрузки;
Fc1…Fc3–статические силы сопротивления движению.
В данной расчетной схеме не былиучтены массы ремней клиноременной передачи, массы цепей цепной передач ижесткость предохранительной муфты.
Очевидно, что в данной расчетнойсхеме можно пренебречь жесткостью зубчатой передачи (с23) редукторав связи с ее незначительностью. Так же пренебрежем жесткостью клиноременнойпередачи (с12) и жесткостями цепных передач (с34, с45,с56) в связи с малыми длинами ремней и цепей передач.
Очевидно, что механическую системунеобходимо привести к двухмассовой системе из-за наличия податливости в тяговоморгане (стэк). Однако в данном случае эти жесткости можно неучитывать по следующим причинам:
1. Конвейер имеетмалую длину (15 м). Поэтому деформации упругих механических связей тяговогооргана будут незначительны. Согласно [3, 4] эти деформации проявляются при длинеконвейера > 100 м.
2. Конвейер будетплавно разгоняться с малым ускорением а0.4 м/с2.
3. Т.к. внутри печилента скользит по металлическим направляющим, то сила трения, возникающая междулентой и направляющими, будет демпфировать колебания в механической частиэлектропривода.
На основании вышеизложенного можносделать вывод, что данную механическую систему можно привести к одномассовойсистеме и податливость тягового органа можно не учитывать. Расчетная схемаодномассовой системы электропривода приведена на рис.1.4.б. Определим радиусприведения:
/> м.
Определим приведенный момент инерциипо формуле:
/>.
Анализируя предыдущую формулу можносделать вывод, что для определения суммарного момента инерции в первомприближении можно ограничиться первыми двумя слагаемыми, те моменты инерциивращающихся масс после редуктора будут малы из-за большого передаточного числаредуктора. Перепишем формулу (1.1) в виде:
 />. (1.2)
Т.к. редуктор и электродвигатель покане выбраны, то суммарный момент инерции будет определен ниже.

2. ВЫБОРСИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И АВТОМАТИЗАЦИИ
 
2.1 Расчет нагрузок механизмаустановки и построение нагрузочной диаграммы
2.1.1 Расчет нагрузок механизма ипредварительный выбор редуктора
Широкаямеханизация и автоматизация производственных процессов различных отраслейнародного хозяйства, как правило, связаны с механизацией и автоматизациейвспомогательных операций транспортировки руды, топлива, сырья, деталей машин,кормов, продуктов и т. д. Все большее применение для указанных целей находяттранспортные механизмы непрерывного действия.
Механизмы непрерывного транспортапроще по своему устройству и эксплуатации, чем такие транспортные средства, каккраны и подъемники, имеющие циклический характер нагрузки. По количествуперемещаемых грузов и длине трасс механизмы непрерывного транспорта часто могутуспешно соревноваться с автомобильным и железнодорожным транспортом. Можноотметить, например, что в некоторых странах развитие конвейеростроения иканатных дорог превосходит по темпам развитие краностроения [4]. Помимоперемещения грузов, указанные механизмы могут быть использованы для перевозкипассажиров.
Наиболеераспространенными механизмами непрерывного транспорта являются конвейерыразличных типов, конструкция которых определяется главным образом характеромперемещаемых грузов, весом и скоростью их движения. Среди конвейеровпредприятий пищевой промышленности чаще других можно встретить ленточныеконвейеры.
Основнойконструктивной частью механизмов непрерывного транспорта и, в частности, любогоконвейера является замкнутый, непрерывно движущийся в процессе работы тяговыйорган, который выполняется из ленты специального изготовления (текстильной,прорезиненной, стальной и т. п.), цепей или канатов. Применение той или инойконструкции тягового органа обусловливается не только характером перемещаемогогруза, но и условиями окружающей среды, в которой работает механизм. Тяговыйорган обычно приводится в движение через ведущие барабаны, звездочки,многогранные блоки и подобные им устройства посредством электрическихдвигателей.
При движенииконвейера приводной двигатель должен преодолевать статическую нагрузку,обусловленную силами трения во всех движущихся элементах, а также составляющуюсилы тяжести транспортируемого груза на наклонных участках конвейера. Силытрения возникают в подшипниках вращающих элементов, в местах контакта роликов икатков с опорой, в тяговом элементе при его изгибах и вследствие значительнойпротяженности конвейера и большого количества движущихся элементов составляютзначительную часть суммарной статической нагрузки, а для горизонтальныхконвейеров определяют всю статическую нагрузку привода. Поэтому расчеты силтрения при проектировании электропривода конвейеров следует выполнять весьматщательно, так как именно эти силы определяют необходимую мощность и количествоприводных двигателей.
Силысопротивления движению конвейера можно разделить на две категории: силы независящие от натяжения тягового элемента, и силы зависящие от натяжения. Первыевозникают на прямолинейных горизонтальных и наклонных участках и распределеныпо участку равномерно. Вторые возникают на участках изгиба тягового элемента исосредоточены в рамках дуги этого участка.
Расчетфрикционного привода основан на решении, полученном еще Эйлером для неупругойгибкой нити. Впоследствии теория передачи силы трения была уточнена Н. П.Поповым и Н. Е. Жуковским [5]. Оба ученых независимо друг от друга и почтиодновременно рассмотрели взаимодействие блока с гибкой нитью, обладающейопределенной упругостью.
Общая схема конвейернойлинии представлена на рис. 2.1
Расчет нагрузок механизма ипредварительный выбор мощности электродвигателя будем производить по методике,изложенной в [3]. Исходные данные приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1.Производительность, П, кг/ч 642
Масса погонного метра ленты, m л, кг 18.2
Угол обхвата приводного барабана, α т, рад 2.967 Угол загрузки, β, рад 0.174 Коэффициент трения, μ 0.35
Коэффициент сопротивления на участках изгиба, си  0,6
Коэффициент сопротивления на прямолинейном участке, сп 0,25
Допустимое ускорение, адоп, м/с2 0,4
Масса 1 кг транспортируемого груза всоответствии с заданной производительностью:
мг=/>=/>=10.89 кг.
Коэффициенты сопротивления движениюна всех участках сгиба примем равными:
ки1=ки2=1+си=1+0.6=1.6.
Находим массы участков конвейера:
m12=(mл+mг)*l12=(18.2+10.8)*1.7=48.9 кг,
m23=(mл+mг)*l23=(18.2+10.8)*13.6=393.6 кг,
m31=mл*l31=18.2*15.3=277.7 кг.
Расчетная суммарная масса:
m∑=m12*ки1*ки2+m23*ки2+m31=1.62*48.9+1.6*393.6+277.7=1035.1кг.
Рассчитаем силы сопротивлениядвижению на прямолинейных участках:
ΔF12=(gл+gг)*l12*(сп*cosβ+sinβ)=(18.2*10.8)*9.81*1,7*(0,25*cos0.174+ sin0.174)=205.4 H,
ΔF23=(gл+gг)*l23*сп=(18,2+10,8)*9,81*13,6*0,25=965,3 H,
ΔF31=gл*l31*сп=18,2*15,3*0,25=681,1Н.
Расчетное результирующее усилие напрямолинейных участках:
ΔFп=ки1*ки2*ΔF12+ки2*ΔF23+ΔF31=1.62*205,4+1,6*965,3+681,1=2751,4Н.
Минимальное допустимое натяжение вточке сбегания ленты с приводного барабана из условия Эйлера:
Тсбmin=/>=/>=11952.7 H.
Так как при определении м∑не учитывались массы барабанов и опорных роликов, то Тсб следуетпринять с некоторым запасом относительно значения Тсбmin:
Тсб=кзап* Тсбmin=1,4*11952.7=16733.7 Н.
Определим натяжение в точке набеганияна приводной барабан:
 
Тнб=ки1*ки2*Тсб+ΔFп=1.62*16733.7+2751.4=45589.8 Н.
 Для построениядиаграммы тяговых усилий вычертим трассу конвейера со всеми подъемами испусками, приводной и натяжной станциями, направляющим блоком и барабанами.Затем, если следовать от наименее нагруженного участка конвейера, производитсяучет потерь в каждом элементе и получается натяжение тягового органа по всейдлине. На рис. 2.2 приведена диаграммы тяговых усилий ленточного конвейера.
Для расчета мощности приводнойстанции необходимо знать КПД кинематической цепи. Примем ориентировочныезначения КПД элементов кинематической цепи из [6 ] ( табл 2.2).
Таблица 2.2.
КПД ременной передачи, ηрп  0.95
КПД цепных передач, ηцп1=ηцп2=ηцп3  0.9
КПД предохранительной муфты, ηм  0.98
КПД редуктора, ηр  0.96
Суммарный КПД кинематической цепипривода:
ηкцπ∑=ηрп*ηр*ηцп1*ηцп2*ηм*ηцп3=0.95*0.96*0.9*0.9*0.98*0.9=0.65.
Мощность приводной станцииопределяется в соответствии с расчетной статической нагрузкой Fст и заданной скоростью движенияконвейера:
Рс=/>=1.1*/>=805.8 Вт,

где: к3=1.1 – коэффициентзапаса, учитывающий неточности расчета силы сопротивления и не учетдинамических нагрузок привода при пуске и торможении.
Предварительный выбор редуктора будемпроизводить по требуемому передаточному числу, определенному в пункте 1.3, имаксимальной передаваемой мощности.
Выбираем из [6] редуктор типаЦ2-100-16-12-АУ2 со следующими паспортными данными (табл. 2.3.).
Таблица 2.3Максимальная передаваемая мощность, кВт  2 Передаточное число  12.5 Частота вращения быстроходного вала, об/мин  750 Номинальный КПД  0.95
Определим передаточное числокинематической цепи с учетом реального передаточного числа редуктора:
iкц=iрп*iр*iцп1*iцп2*iцп3=2*12,5*4,72*3,44*2,42=1100.21.
Определим максимальную и минимальнуюугловые скорости вращения электродвигателя, исходя из диапазона регулирования ипередаточного числа кинематической цепи:
ωэд.max=/>=/>=145.2 с-1,
ωэд.min=/>=/>=26.4 с-1.
2.1.2 Расчет нагрузок механизма нахолостом ходу
Расчет нагрузок механизма на холостомходу будем производить по той же методике, что и загруженного привода, поэтомупояснения к расчету опускаются.
m12=mл*l12=18.2*1.7=31.3 кг;
m23=mл*l23=18.2*13.6 = 246 кг;
m31=mл*l31=18.2*15.3=277.7 кг;
m∑=ки1*ки2*m12+ки2*m23+m31=1.62*31.3+1.6*246.9+277.7=752.8 кг;
ΔF12=gл*l12*(сп*cosβ+sin(β))=18.2*9.81*1.724*(0.25*cos(0.174)+sin(0.174))==128.7 Н;
ΔF23=gл*l23*сп=18.2*9.81*13.6*0.25=605.5 Н;
ΔF31=gл*l31*сп=18.2*9.81*15.3*0.25=681.1 Н;
ΔFп=ки1*ки2*ΔF12+ки2*ΔF23+ΔF31=1.62*128.7+1.6*605.5+681.1=1979.7H;
Тнб=ки1*ки2*Тсб+ΔFп=1.62*16733.7+1979.7=44818.1 H;
Fcmax=Тнб – Тсб=44818.1-16733.7=28034.3 Н.
Определим момент сопротивления навалу двигателя приводной станции:
Мст=/>=/>=5.1 Н*м.
КПД кинематической цепи являетсяфункцией загрузки и может быть апроксимирована по формуле [3]:
ηкц=/>,
где: b – коэффициент постоянных потерь;
а – коэффициент переменных потерь;
kзаг – коэффициент загрузки.
kзаг=/>=/>=0.97;
b=/>;
a=γ*b=0.24*1.2=0.29;
где: γ – отношение коэффициентов переменных и постоянныхпотерь. Принимаем из [ ] γ=1.2
ηкцмах=/>.
Момент сопротивления на валуэлектродвигателя при разгруженном конвейере:
Мcтхx=/>=/>=4.9 Н*м.
Момент сопротивления на валуэлектродвигателя, создаваемый нагрузкой:
Мнаг=Мст-Мcmax=5.1-4.9=0.2 Н*м.
Как видно из последних расчетов,статический момент, создаваемый нагрузкой составляет ≈ 4% от суммарногостатического момента. Это говорит о том, что почти вся мощность, передаваемая свала электродвигателя, расходуется на преодоление сил трения в кинетическойцепи и тяговом органе.

2.1.3 Построениенагрузочной диаграммы механизма
Конвейеротносится к механизмаам непрерывного действия, для электропривода которогохарактерен продолжительный режим работы S1.Продолжительным номинальным режимом (S1) работы электрической машиныназывается режим работы ее при неизменной нагрузке такой, что превышениятемпературы всех частей электрической машины достигают установившихся значений[7}. Иллюстрация этого режима дана на рис. 2.3. В паспортных данных двигателейпродолжительного номинального режима работы указываются номинальные мощности Рном, кВт,частота вращения nном, об/мин, напряжение Uном, В, ток Iном, А.Номинальному продолжительному режиму работы, как следует из рис. 2.3,соответствует простейший график превышения температуры, принимающей установившеесязначение τу=∆Рном/А. Так как условияминоминального режима определено, что температура охлаждающей среды Θсреды,ном ≤ 40°С, то температура лимитируется значением Θ ≤Θсреды, ном + ∆Рном/А, при которомобеспечивается номинальный срок службы изоляции. Одновременно указанноезначение является наибольшим для данного номинального режима. За время работыконвейера статический момент сопротивления остается постоянным. Для режимаработы S1 время пуска и торможения мало посравнению с обіим временем работы, и поэтому эти моменты в построениинагрузочной диаграммы не учитываются.
Наосновании сказанного выше можно построить нагрузочную диаграмму механизмаконвейера (рис. 2.4.).
2.2Предварительный расчет мощности двигателя
Мощностьприводной станции определяется в соответствии с расчетной статической нагрузкойи заданной скоростьюдвижения конвейера была рассчитана в пункте 2.1.1. Однакоследует учесть, что при длительном режиме работы на пониженной скоростиухудшаются условия охлаждения самовентилируемых двигателей. Поэтому нужнозавышать мощность электродвигателя или применять принудительную вентиляцию.Последний вариант ведет к резкому увеличению капитальных затрат, поэтомувыгодней завысить мощность электродвигателя. Методика определения допустимогомомента по условиям нагрева приведена в [8]. Методика громоздкая требует знаниепараметров схемы замещения электродвигателя. Поэтому для предварительноговыбора электродвигателя воспользуемся расчетными кривыми зависимостидопустимого по нагреву момента от скорости вращения электродвигателей серии А,приведенными в этом же источнике (рис. 2.5.), причем нижней границе допустимыхпо нагреву моментов для всех двигателей единой серии является зависимость этогомомента от частоты двигателя А91- 2. При Dω=6α=1/6=0.17 получаем относительное значение допустимого по нагреву моментаμτ=0.65. Следовательно, при выборе электродвигателя дляданного диапазона регулирования и режима работы S1 следуетувеличить расчетную мощность в 1/ μτ раз.
/>.
K3охл –коэффициент запаса по условиям охлаждения.
Рэд=k3охл*Рс=1.53*805.8=1239.8Вт.
2.3 Требованияк автоматизированному электроприводу
Конвейеры взависимости от их назначения и области применения могут эксплуатироваться всамых разнообразных условиях и в том числе крайне неблагоприятных: на открытомвоздухе, на высоте над уровнем моря, превышающей 1000 м (ленточные конвейерыгорнодобывающих предприятий, высокогорные канатные дороги), а также впомещениях, содержащих пары активных веществ и характеризующихся повышеннойвлажностью, загрязненностью, высокой температурой окружающей среды (красильныеи сушильные линии, термические цехи) [3]. Это определяет необходимостьиспользования для данной группы механизмов электрооборудования, по типу иисполнению отвечающего перечисленным условиям, и выдвигает жесткие требования вотношении безопасности и простоты его обслуживания, надежности работы. Это впервую очередь относится к приводным двигателям, которые, как правило, должны иметьзакрытое исполнение и обладать повышенным пусковым моментом.
Непрерывный,однонаправленный характер работы рассматриваемых механизмов определяетдлительный режим работы их электроприводов, которые выполняются нереверсивными,за исключением редких случаев, где требуется изменение направления движения,например для эскалаторов. Конвейеры строго транспортного назначения имеют однунеизменную скорость движения и не требуют регулируемого электропривода. Длянекоторых конвейеров, обслуживающих технологические процессы, например длясборочных конвейеров, красильных и сушильных линий и т. п., где при сменесобираемого или обрабатываемого изделия требуется изменение скоростного режима,применяется регулируемый электропривод.
 В современномпоточном производстве работа нескольких конвейеров может объединяться общимпроизводственным процессом. В этом случае движения отдельных конвейеров должныбыть строго согласованы между собой по скорости. Такая задача возникает,например, когда различные изделия после необходимых технологических операций наотдельных конвейерных линиях должны встречаться на сборочном конвейере в точномпозиционном соответствии друг с другом. К электроприводам таких конвейеровпредъявляются требования согласованного вращения.
Важным общимтребованием, предъявляемым к электроприводам механизмов непрерывноготранспорта, является обеспечение платности пуска и торможения с надежнымограничением ускорения и рывка, а также максимального момента двигателя и егопроизводной [3]. Для канатных и ленточных конвейеров большой протяженности этотребование обусловлено наличием больших поступательно движущихся масс,приведенный момент инерции которых может в 10-20 раз превышать момент инерциидвигателей, и значительной податливостью тянущих канатов и транспортернойленты. Большие маховые массы установки увеличивают возможность пробук-совыванияприводных барабанов и шкивов относительно лент и канатов при пуске. Резкоеприложение момента при наличии упругих механических связей вызываетмеханические колебания при пуске, в результате чего в ленте или канатевозникают дополнительные динамические усилия. Требование плавности пуска изамедления остается в силе и для установок с коротким тяговым элементом. Водних случаях ограничение ускорения и рывка до требуемых норм диктуетсяусловиями транспортирования людей (эскалаторы, канатные дороги), в другихслучаях — условием надежного сцепления транспортируемых изделий с лентой(ленточные конвейеры) или уменьшением раскачивания люлек и кабин (подвесныеконвейеры).
На основаниивышеизложенных рассуждений и описания технологического процесса сформулируемтребования к электроприводу конвейера пода и системе автоматизации печи.
1. Электроприводдолжен обеспечить заданный диапазон регулирования скорости движения конвейера (D=6).
2. Системауправления электроприводом должна обеспечить коррекцию скорости движенияконвейера в зависимости от температуры во второй зоне пекарной камеры.
3. Электроприводдолжен обеспечить плавный разгон (торможение) конвейера с допустимым ускорением(замедлением), дабы избежать механических колебаний в тяговом органе (а доп=0.4м/с2 ).
4. Электроприводдолжен обеспечить запас пускового момента для преодоления момента трогания –(1.8÷2.5)М ном.
5. В результатемодернизации кинематическая схема электропривода должна претерпеть минимумизменений, чтобы уменьшить капитальные работы, в связи с модернизацией привода.
6. Т.к. установкаработает в длительном режиме работы на всем диапазоне регулирования скоростидвижения, то электропривод должен обеспечить регулирование потребляющеймощности из сети, т.е. быть энергоэкономичным.
7. Т.к.электропривод работает в длительном режиме работы, то высокие требования квремени разгона и торможения не предъявляются.
8. Системаавтоматизации должна обеспечить контроль и регулирование температуры по зонампекарной камеры.
9. Системауправления электроприводом должна обеспечить исключение аварийных режимов дляэлектропривода.
10. Электроприводдолжен быть удобен и гибок в управлении.
11. Системаавтоматизации должна обеспечить четкие действия схемы управления установкой принормальном и аварийном режимах работы.
12. Системаавтоматизации должна быть простой и надежной в эксплуатации.
13. Системаавтоматизации и электропривод должны иметь минимальные размеры и стоимость.
14. Системаавтоматизации и электропривод должны соответствовать требованиям, предъявляемымПУЭ и правилами пожарной безопасности.
 
2.4.Патентно–информационный поиск по объекту проектирования
1. Экономичный электропривод дляЕвропы [9].
По данным комиссии ЕС Европа почти на10 лет отстает от Северной Америки по применению двигателей (Д) с высоким КПД.Если бы все Д имели КПД, как у лучших кострукций, то необходимость вэлектроэнергии сегодня в Европе снизилась бы на 3000 МВт, расходы – на 1 млн.долларов и выбросы СО2 – на 13.4 млн.т. Если бы на всех насосах былустановлен регулируемый ЭП, то эти цифры утроились бы. По данным ЕС широкоераспространение Д с высоким КПД в 2010 году сэкономило бы в промышленномсекторе еще 9.6 Т∙Вч. Высказано мнение, что КПД ЭП в большей степенизависит от системы управления. Представитель компании АВВ заметил, чтоулучшение технологии производства Д позволяет поднять их КПД без заметногоудорожания Д и что компания выпускает Д с высоким КПД как стандартные. УченыеИталии разработали компьютерную программу оптимизации конструкции Д. Их работыпоказывают, что эксплуатационные расходы на Д оптимальной конструкции 1.5 кВтснижаются на 36%, 18.5 кВт – на 19% без повышения затрат на их производство.Рассмотрены пути внедрения Д с высоким КПД в Европе с помощью законодательства,агитации и др. методов.
2. Электропривод в будущем [9].
По имеющимся оценкам сегодня менее 5%ЭД управляется инвертором (И), даже среди недавно установленных ЭД эта цифра непревышает 10%. Для широкого распространения регулируемого электропривода (РЭП),по мнению представителей компании Hitachi (Япония), необходимо радикально изменить цены и конструкциюРЭП. В будущем РЭП регуляторы должны быть разделены на модульные элементы,которые комбинируются в зависимости от применения. С помощью обычных микросхемможно будет сформировать регулятор для специального назначения: упаковки,перекачки, вентиляции или производства стали. Маломощные РЭП должнывстраиваться в инструмент или оборудование и их цена не должна превышать 10ф.с. Не только в компании Hitachi считают,компания Mitsubishi уже продает встраиваемые И дляпроизводителей оборудования, причем И серии SC – А мощностью 200 и 400 Вт стоят меньше 80 ф.с. Отмеченабольшая экономия, которую может дать широкое применение РЭП в Европе; но еслине применять мер по уменьшению засорения сети гармониками, стоимость фильтровбудет больше стоимости самих И.
3. Применение преобразователя частотыVARISPEED – 676H5 для электропривода ленточного конвейера нового типа [9].
 Описан многодвигательный ЭП системыПЧ – АД ленточных конвейеров, выполненный на ПЧ VS – 67H5 / изсерии VARISPEED. ШИМ-инвертор выполнен на IGBТ – приборах. Рассмотрено нескольковариантов исполнения конвейеров и их ЭП. Описана система управления,выполненная на цифровых процессорах и центральной ЭВМ, связанную в единуюинформационно-управляющую сеть с дисплеями. Системы могут иметь различноеисполнение в зависимости от того, какой агрегат или технологическая линияобслуживаются данным конвейером.
 4. Защита и техническая диагностикатиристорного ЭП ленточного конвейера [9].
В настоящеевремя конвейерные линии угольных шахт практически полностью автоматизированы.При этом автоматизация сводится к тому лишь к автоматическому запуску иаварийному останову. Следующим этапом автоматизации должно являтьсярегулирование скорости движения ленты, что при неравномерном грузопотоке иззабоев устранит недогрузы конвейера и его холостой пробег за счетавтоматической стабилизации погонной нагрузки. Для регулирования скорости движенияленты наиболее целесообразным, в настоящее время, является тиристорный ЭП наоснове АВК. С целью повышения надежности АВК рассмотрена структурамикропроцессорного устройства, предназначенного для защиты и диагностированияЭП на основе АВК.
5. Печь БН-25.[10]
Она состоит извосьми секций длиной 1.5 м каждая. Пекарная камера печи на четыре тепловыезоны. Обогрев осуществляется при помощи трубчатых электронагревателей ТЭНов )мощностью 1.8 кВт каждый. Мощность электронагревателей, размещенных над сетчатымподом, составляет 91,8 кВт, а под ним— 59,4 кВт.
Для обогревапервой зоны установлено 18 верхних и 12 нижних электронагревателей; второй— 15верхних и 9 нижних; третьей — 12 верхних и 6 нижних и четвертой — 6 верхних и 6нижних.
Устройство дляувлажнения расположено в начале печи и состоит из четырех перфорированных трубс отверстиями 2,5 мм. Трубы установлены на расстоянии 220 мм до пода с шагом130 мм. Над трубами размещен колпак шириной 2,67 м и длиной 0,56 м.Пароувлажнительное устройство отделено от пекарной камеры поворотной заслонкой.
По всей длинепечи, в верхней ее части, смонтирован металлический вентиляционный каналдиаметром 160 мм.
Привод печиосуществляется от трехскоростного электродвигателя мощностью 0,8, 1,0 и 1,2 кВтс частотой вращения соответственно 750, 1500 и 3000 об/мин. Продолжительностьвыпечки в интервале каждого диапазона регулируется вариатором скорости.
6. Печь БН-50 [10].
 Она состоит изшестнадцати соединенных между собой секций длиной по 1500 мм. Каждая пекарнаякамера изолирована стекловатой толщиной с боков 350, снизу — 245 и сверху — 450мм. Обогрев осуществляется трубчатыми электронагревателями мощностью 2 кВткаждый. В верхней части над сетчатым подом размещено 87 электронагревателей, внижней — 72. Печь разбита на четыре тепловые зоны с независимым верхним инижним обогревом.
7. ПечиХПС-25и ХПС-40 [ ].
Это печитоннельного типа с электрообогревом предназначены для выпечки широкогоассортимента хлебобулочных изделий в районах с достаточными ресурсами дешевойэлектроэнергии. Печи ХПС-25 и ХПС-40 разработаны ВНИИХПом и изготовляются набазе печей ПХС-25 м и ПХС-40м.
Электрическаясхема печи рассчитана на подключение сети трехфазного переменного токанапряжением 380/220 В. Для обогрева печи применяются типовые трубчатые электронагреватели,которые защищаются от коротких замыканий автоматическими выключателями типаА-3114 и АП50-ЗМТ. Электрическая схема печи предусматривает три цепиуправления: температурным режимом печи, конвейером печи и вентилятором.
Цепь управлениятемпературным режимом печи включает восемь одинаковых регулирующих контуров,состоящих из датчиков термопары ТХК-0515 (печь ХПС-25), термопары TXK.-XIII (печь ХПС-40),вторичных приборов (потенциометры ЭПВ2-11А) и исполнительных механизмов(магнитные пускатели серии ПА).
Пекарная камерапечи разбита на четыре зоны, в каждой из которых производится самостоятельноерегулирование и контроль температуры. В первой зоне печи (верх и низ)нагреватели разбиты на две группы, которые могут включаться вручную или в автоматическомрежиме. В нижней части первой зоны, а также в остальных зонах нагревателиразбиты на две группы, которые управляются автоматически. При температуре взоне ниже заданной автоматически включаются все нагреватели и по достижениинижнего предела заданной температуры одна из групп отключается, а придостижении верхнего предела заданной температуры отключается вторая группа.
Ручноеуправление предусматривает два режима работы: слабый нагрев, сильный нагрев.После разогрева печи до рабочего состояния систему управления печью переводят сручного режима на автоматический. В соответствии с сортом выпекаемых изделийтемпература выпечки устанавливается на верхней шкале потенциометра для каждойзоны.
8. Печь ХПС-100 [10].
 Онаразработана Отраслевой лабораторией по хлебопекарным печам КТИППа ипредназначена для выпечки широкого ассортимента хлеба и булочных изделий. Впечи в целях унификации использованы узлы и отдельные элементы печей ПХК.
Сетчатый подпечи крепится как и в печах ПХК к двум ведущим цепям. В зоне увлажнениясетчатый под перемещается по куполообразной траектории с регулируемым подъемомкупола, что обеспечивает прохождение тестовых заготовок в зоне высокойвлажности парового колпака.
Обогревпекарной камеры осуществляется ТЭНами длиной 3 м.
В печи примененасистема секционной сборки. Секции имеют длину 4 м каждая и соединяются междусобой компенсаторами температурных расширений.
Температурныйконтроль по длине пекарной камеры осуществляется в каждой тепловой зоне и зонеувлажнения.
9. Печь П-119м [10].
Онапредназначена для выпечки широкого ассортимента хлебобулочных изделий,выпускается серийно Шебекинским машиностроительным заводом.
Печь являетсялюлечно-подиковой тупиковой каркасно-панельного типа. Конвейер печидвухниточной, цепи конвейра втулочно-роликовые с шагом 140 мм. На них подвешено18 люлек размером 1410 Х 285 мм. Печь снабжена съемными подиками размером 1402Х 350 мм. Корпуса подшипников переднего приводного вала вынесены за пределыпекарной камеры и крепятся в нишах боковых панелей печи.
Обогрев печиосуществляется от нагревателей НВСЖ-2, 177/2,5 или другого типа. Мощностькаждого нагревателя 2,5 кВт. Всего в печи 30 нагревателей, которые разбиты натри группы. Тепловой режим регулируется тремя термопарами как автоматически,так и вручную.
Боковые стенкипечи и верхнее перекрытие изготовлены в виде пустотелых металлических панелейтолщиной 250 мм, заполненных минеральной ватой. Между ветвями конвейераразмещены вытеснительные короба, сокращающие объем парогазовой среды пекарнойкамеры. Тестовые заготовки увлажняются на первых четырех люльках.
В зонеувлажнения имеется дополнительная группа электронагревателей, котораявключается при выпечка изделий требующих «обжарки» в начале выпечки.
10. Печь П-104 [10]
Печьлюлечно-подиковая, тупиковая, изготовляется Шебекинским машзаводом. Надвухниточном конвейере подвешено 34 люльки размером 1920 Х 350 мм, снабженныхсъемными подиками размером 1905 Х 360 мм.
Устройство печиП-104 идентично печи П-119М. Обогрев осуществляется 72 нагревателями НВСЖ-2,177/2,5суммарной мощностью 180 кВт, которые разбиты на четыре зоны, где температурарегулируется и контролируется самостоятельно. В первой зоне печи нагревателиразбиты на 3 группы, одна из которых может быть выключена. В других зонахнагреватели разбиты на две группы. Регулирование температуры автоматическое иручной.
 
2.5 Предварительный выбор двигателя,способа управления и комплектного преобразователя
2.5.1 Выбор способа управления идвигателя
В настоящее время для приводов малоймощности (до 20 кВт) наибольшее применение нашли двигатели постоянного тока иасинхронные двигатели. Двигатели постоянного тока независимого возбужденияобладают отличными регулировочными свойствами. Это связано с тем, что магнитныйпоток регулируется независимо о тока якоря. В электроприводах с двигателямипостоянного тока широкое распространение получили системы тиристорныйпреобразователь-двигатель постоянного тока (ТП-ДПТ). Это объясняется простотойи относительной дешевизной тиристорных преобразователей. ТП позволяют регулироватьвыходное напряжение в широких пределах и обладают высоким быстродействием. Этиобстоятельства позволяют строить на основе систем ТП-ДПТ высокопрочные системырегулирования технологических процессов (системы управления скоростью,положением и т.д.) Однако система ТП-ДПТ обладает рядом недостатков:
1. Недостаткидвигателей постоянного тока в основном связаны с наличием коллекторного узла.ДПТ требуют тщательного технологического обслуживания (протирание коллектора,частые замены и регулирование щеток и т.д.), что увеличивает эксплуатационныерасходы и снижает надежность машины.
2. ДПТ имеют плохиемассогабаритные показатели, что в конечном итоге увеличивает цену двигателей.ДПТ дороже асинхронных двигателей примерно в три раза.
3. В связи сналичием коллекторного узда В ДПТ налагается ограничение на скорость нарастаниятока, что уменьшает быстродействие электропривода.
4. Коэффициентмощности тиристорных преобразователей зависит от узла регулирования, поэтомупри регулировании скорости вниз от номинальной увеличивает доля внешнихгармоник, что ведет к снижению коэффициента использования двигателя, увеличениюпотель мощности и засорению питающей среды высшими гармониками (помехами).
Самым простым и надежнымэлектромеханическим преобразователем энергии является асинхронный двигатель. Асинхронные двигателиобладают рядом преимуществ перед ДПТ:
1. Асинхронныедвигатели просты и надежны в эксплуатации, требуют минимум эксплуатационныхрасходов.
2. Асинхронныедвигатели имеют лучшие массогабаритные показатели, поэтому наиболее дешевы.
3. Асинхронныедвигатели имеют больший КПД по сравнению с ДПТ при той же мощности.
4. Асинхронныедвигатели выдерживают большие перегрузки по сравнению с ДПТ, что позволяетполучить более высокое быстродействие.
Сравнивая достоинства и недостаткиасинхронных двигателей и двигателей постоянного тока, для проектируемойустановки выбираем асинхронный двигатель. Этот выбор обусловлен перечисленнымипреимуществами, а так же тем, что такое решение соответствует пункту 5требований к электроприводу.
Рассмотрим самые распространенныеспособы управления АД.
1. Регулирование скорости вращения АДвведением добавочного сопротивления в цепь ротора.
Один из распространенных способоврегулирования скорости, тока и момента АД с фазным ротором связан с введением иизменением дополнительных резисторов в цепи его ротора. Схема, в которойреализуется этот способ регулирования, приведена на рис. 2.6, а.Основным достоинством этого способа является простота реализации, чтоопределило его широкое применение в ряде электроприводов.
Для построениясемейства получаемых при этом способе искусственных механических характеристикпроведем анализ их характерных точек.
а) скоростьидеального холостого хода АД ω0при регулировании R2д не изменяется;
б) максимальный(критический) момент двигателя Мк также остается неизменным;
в) критическоескольжение Sк увеличивается при увеличении R2д.
Выполненныйанализ позволяет представить искусственные реостатные характеристики в видесемейства кривых, показанного на рис. 2.6, б. Использование этих характеристикдля регулирования скорости АД характеризуется такими же показателями, что и дляДПТ независимого возбуждения. Диапазон регулирования скорости небольшой — около2-3, что определяется снижением жесткости характеристик и ростом потерь по мереувеличения диапазона регулирования скорости.
Плавностьрегулирования при реостатном регулировании небольшая и определяется плавностьюизменения дополнительного резистора R2д. Скорость АДизменяется только вниз от основной. Экономичность способа определяетсястоимостью используемых средств регулирования и расходами при эксплуатацииэлектропривода. Затраты, связанные с созданием данной системы электропривода,невелики, так как для регулирования обычно используются простые и дешевые ящикиметаллических резисторов. В то же время при эксплуатации этой системы затратывелики, поскольку значительны потери энергии.
Электрическиепотери в роторной цепи ∆Р2, называемые потерями скольжения,определяются выражением
∆Р2 =Р1 – Р2 = М*ω0– М*ω = М*ω0*s =Р1*s.
Чем большескольжение s, тем больше потери в роторной цепи,поэтому реализация большого диапазона регулирования скорости приводит кзначительным потерям энергии и снижению КПД электропривода.
Регулированиескорости этим способом применяется в тех случаях, когда требуется небольшойдиапазон регулирования скорости и работа на пониженных скоростяхнепродолжительна. Например, этот способ нашел широкое применение вэлектроприводе ряда подъемно-транспортных машин и механизмов.
Рассматриваемыйспособ также используется для регулирования тока и момента АД при его пуске.Если обратиться к характеристикам рис. 2.6. б, то можно отметить, что за счетподбора сопротивления резистора пусковой момент АД может быть увеличен вплотьдо значения критического момента Мк. Это свойство АДиспользуется при его пуске с моментом нагрузки, превышающим пусковой момент АДМп на естественной характеристике.
2. Регулирование скорости вращения АДпереключением пар полюсов.
Этот способ (рис 6.7) используетсядля регулирования скорости многоскоростных АД с короткозамкнутым ротором.Возможность получения искусственных характеристик АД данным способом, иследовательно, регулирования его скорости, непосредственно следует из выражениядля угловой скорости магнитного поля АД ω0 = 2*π*ƒ1/p.
Изменение числапар полюсов АД р производится за счет переключении в обмотке статора, при этомчисло пар полюсов короткозамкнутого ротора изменяется автоматически. Так какколичество полюсов АД может быть равным только целому числу— 1, 2, 3 и т. д.,то следовательно, данный способ обеспечивает только ступенчатое регулированиескорости. Двигатели, допускающие регулирование скорости этим способом, получилиназвание многоскоростных. Изменение числа полюсов АД достигается, когда настаторе АД располагаются две (или больше) не связанные друг с другом обмотки,имеющие разное число пар полюсов p1 и р2.При подключении к сети одной обмотки, например с р1 парами полюсов,АД имеет синхронную скорость
/>01 = 2*π*ƒ1/p1.
Вторая обмоткапри этом обесточена. Для получения другой скорости отключается первая обмотка иподключается на сеть вторая обмотка с р2 парами полюсов, при этомсинхронная скорость АД станет равной
/>02 =2*π*ƒ1/р2
и АД будетиметь уже другую механическую характеристику.
Наряду с такимиАД, получившими название многообмоточных, широкое распространение получилдругой тип многоскоростных АД, у которых изменение числа пар полюсоввращающегося магнитного поля достигается за счет изменения схемы соединениястаторной обмотки АД. Для этого каждая фаза статора разделена на несколькоодинаковых частей (чаще всего на две части) и имеет от них соответствующеечисло выводов.
Рассматриваемыйспособ регулирования скорости характеризуется рядом положительных показателей,что определяет широкое его применение в регулируемом электроприводе переменноготока. К ним в первую очередь следует отнести экономичность регулирования, таккак регулирование скорости изменением числа пар полюсов не сопровождаетсявыделением в роторной цепи больших потерь энергии скольжения, вызывающихизлишний нагрев АД и ухудшающих его КПД.
Из рис. 2.7. бвидно, что механические характеристики многоскоростных асинхронныхэлектродвигателей отличаются хорошей жесткостью и достаточной перегрузочнойспособностью.
Недостаткомэтого способа является ступенчатость изменения скорости двигателя иотносительно небольшой диапазон ее регулирования, не превышающий обычно 6-8.
3. Регулирование скорости вращения АДизменением питающего напряжения.
Одним извозможных способов регулирования координат АД является изменение напряжения навыводах его статора, при этом частота такого напряжения постоянна и равначастоте сети переменного тока. На рис. 2.8, а приведена схемаэлектропривода при реализации этого способа. Между выводами питающей сети истатора АД включен преобразователь напряжения, при использовании которого можетизменяться напряжение, подводимое к статору АД.
На рис. 2.8, б приведенымеханические характеристики АД при регулировании напряжения на выводах егостатора. Как видно из этих графиков, получаемые искусственные характеристикиоказываются малопригодными для целей регулирования скорости, так как по мереуменьшения напряжения резко снижаются критический момент АД и его перегрузочнаяспособность, а диапазон регулирования скорости очень мал. По этимпричинам разомкнутая схема может использоваться лишь для регулирования моментаАД и его тока, который пропорционален напряжению статора. Для регулированияскорости АД создаются замкнутые системы.
Основнымидостоинствами рассматриваемой системы электропривода являются ее относительнаяпростота, надежность, легкость автоматизации в общей технологической схемепроизводства, удобство управления. Вместе с тем эта система электроприводаимеет существенный недостаток, заключающийся в больших потерях в обмотке роторапри работе на низких скоростях. Действительно, электрические потерн в роторепри низких скоростях и, следовательно, больших скольжениях могут быть весьмавысокими, что уменьшает КПД электропривода. Отмеченный недостаток не являетсяочень серьезным в том случае, когда время работы АД на пониженной скорости малопо сравнению со временем цикла его работы.
Диапазонрегулирования скорости при использовании обратных связей, например по скорости,относительно высок и достигает десяти. При использовании обратных связей могутбыть получены жесткие характеристики.
Экономичностьрегулирования зависит от конкретных условий работы электропривода. В частности,если время работы на пониженной скорости невелико по сравнению с временемцикла, то экономичность может быть высокой.
Регулированиескорости АД в этой системе плавное и производится только вниз от естественной(основной) характеристики.
4. Регулирование скорости вращения АДизменением частоты и амплитуды питающего напряжения.
Частотныйспособ является одним из наиболее перспективных и широко используемых внастоящее время способов регулирования скорости АД. Принцип его заключается втом, что, изменяя частоту ƒ1 питающего АД напряжения, можно всоответствии с выражением ω0= 2*π*ƒ1/р изменятьего синхронную скорость ω0, получая темсамым различные искусственные характеристики (рис 2.9, б). Этот способобеспечивает плавное регулирование в широком диапазоне, получаемыехарактеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ к тому жеотличается и еще одним весьма важным свойством: при регулировании скорости АДне происходит увеличения его скольжения, как это имеет место, например, приреостатном регулировании. Поэтому при этом способе регулирования потерискольжения оказываются небольшими, в связи с чем частотный способ наиболееэкономичен.
Регулированиетаким способом может осуществляться плавно, в широком диапазоне, в обе стороныот естественной характеристики, т.е. АД может иметь скорость как больше, так именьше номинальной. При этом регулировочные характеристики имеют высокуюжесткость, а АД сохраняет большую перегрузочную способность.
Во многихслучаях хорошие показатели регулирования могут быть достигнуты в разомкнутойсистеме. При повышенных требованиях к электроприводу необходимо использованиетех или иных обратных связей, т.е. применение замкнутой системы регулирования.Получаемый диапазон регулирования скорости в разомкнутых системах составляет5-10, а в замкнутых его значение может достигать 1000 и более.
Из всех вышеперечисленных способовуправления АД выбираем частотное регулирование, т.к.:
а) Система ПЧ-АД позволяетпроизводить плавный пуск электропривода, что позволяет избежать механическихколебаний в кинематической цепи, повышает ее надежность и срок службы.
б) Система ПЧ-АД позволяетрегулировать скорость вращения во всем диапазоне без потери перегрузочнойспособности, чего не позволяет система ТРН-АД.
в) Система ПЧ-АД позволяет плавнорегулировать скорость вращения во всем диапазоне, чего не позволяетосуществлять реостатное регулирование и регулирование переключением парполюсов.
г) Система ПЧ-АД позволяетрегулировать количество потребляемой мощности, что делает систему ПЧ-АД самойэкономичной из перечисленных. Это свойство особенно важно в данной системе,т.к. электропривод работает на скоростях ниже номинальной продолжительноеподдержания электродвигателя в режиме оптимального КПД. В данном случае такаяэкономия может оказаться существенной, т.к. статический момент равенприблизительно половине номинального момента на двигателе.
Выберем из [11] асинхронный двигательдля проектируемого электропривода. Мощность электродвигателя была рассчитана ранее.Выбираем АИР80В4 со следующими техническими данными (табл. 2.4):
 Таблица 2.4
Рн, кВт
Sн, %
ηн
сosφн
λm
λI
R1, Ом
J, кг·м2 1.5 0.07 0.77 0.83 2.2 6.5 5.46
3.3*10-3
По справочным данным рассчитаемосновные номинальные параметры электродвигателя.
Ток статора:
/> А.
Угловая скорость вращения:
ωн=ωон*(1-Sн)=157.2*(1-0.07)=146.6 с-1,
где: ωон – номинальная скорость вращениямагнитного поля.
Номинальный механический момент:
/>.
Номинальный электромагнитный момент:
Мэмн=1.012*Ммехн=1.012*10.2=10.6Н·м,
где: 1.012 – коэффициент, учитывающийдобавочные потери и потери на трение в механической части электродвигателя.
2.5.2 Выбор комплексногопреобразователя
Для проектируемого электроприводавыбираем преобразователь частоты фирмы «Danfoss» серии VLT5000. Фирма «Danfoss» выпустила первый в мире серийныйпреобразователь частоты в 1968 г. С тех пор фирма установила стандарт качествадля электроприводов [12]. Ее частотные преобразователи VLT сегодня проданы и обслуживаются более чем в 100странах на шести континентах. В новой серии преобразователей VLT 5000 заложена система управления VVCPLUS – это новая система векторногоуправления без датчиков управляющегося момента. По сравнению со стандартнымуправлением коэффициентом напряжение/частота система VVCPLUS обеспечивает улучшенную динамику иустойчивость как при изменении задания скорости, так и при изменении момента нагрузки.В системе управления ПЧ внедрена система цифровая защита, которая гарантируетнадежную работу даже при самых неблагоприятных эксплуатационных условиях.Электроприводы фирмы «Danfoss»с системой управления VVCPLUS допускают ударные нагрузки во всем диапазоне скоростей ибыстро реагируют на изменение задания. Чтобы сделать программирование простым ипонятным, параметры разделены на различные группы. Быстрое меню проводитпользователя через программирование нескольких параметров, которые должны быть установлены,чтобы начать работу. Пульт управления съемный. Он включает алфавитно-цифровойдисплей из четырех строк, давая возможность отображать четыре параметраодновременно. Через съемный пульт управления запрограммированные значения могутбыть скопированы с одного VLT надругой. Это уменьшает затраты времени на программирование при замене приводовили включении дополнительного привода в систему. Процесс программированияоказывается легче, чем в других сериях. Преобразователи VLT 5000 выполняют большинство настроекавтоматически. ПЧ серии VLT5000 построены на базе инверторов с промежуточным звеном постоянного тока иширотно-импульсной модуляцией. В качестве силовых ключей используютсябиполярные транзисторы с изолированным управляющим электродом (IGBT). Функциональная схемапреобразователя частоты серии VLT5000 представлена на рис. 2.10.
L, C1…C3 – входной LC фильтр, поставляемый по специальномузаказу, служит для сглаживания импульсов входного тока, а так же блокируетвысокочастотные помехи из сети в ПЧ и наоборот.
VD1…VD6 – неуправляемый выпрямитель для преобразования энергиипеременного тока в энергию постоянного тока.
Rз – зарядный резистор для предварительного зарядаконденсаторов силового фильтра С4…С6.
С4…С6 – силовые конденсаторы дляфильтрации выпрямленного напряжения в звене постоянного тока.
Rs – резисторный датчик обратной связипо току инвертора для контроля тока инвертора, защиты инвертора от токовкороткого замыкания.
VT1…VT6 – транзисторы силового тока инвертора, могут бытьскомпонованы в виде полумостов.
М – асинхронный исполнительныйдвигатель.
ИБП – импульсный блок питания,обеспечивает несколько стабилизированных напряжений.
К – реле предварительного заряда.Включается после предварительного заряда силовых конденсаторов, шунтируя своимконтактом резистор Rз.
БВВУ – блок верхних выходныхусилителей.
БНВУ – блок нижних выходныхусилителей.
БВВУ и БНВУ служат для формированияимпульсов управления силовыми ключами.
БУИ – блок управления инвертором.Главный управляющий узел, который формирует на выходе 6 импульсных сигналовформирования ШИМ по различным алгоритмам. В соответствии с сигналами ОС,сигналами управления и выбранными комплексами программ БУИ выполняется на баземикропроцессорных контроллеров.
БИФ – блок интерфейса, обеспечиваетсвязь схемы управления преобразователем с внешним устройством ЦПУ и АЛУ,персональным компьютером (РС), ведущим приводом MD, а также выдает сигнал для ведомого привода, если данный ЭПявляется ведущий.
БРИТ – блок реостатно-инверторноготорможения.
RT – силовой тормозной резистор.
БРИТ и RТ поставляются по желанию заказчика.
Общие технические данныепреобразователй частоты серии VLT5000 [13] приведены в таблице 2.5:
Таблица 2.5 Частота питания, Гц 50/60 Максимальный дисбаланс напряжения питания
±2%Uн Коэффициент мощности 0.9…1.0 Пусковой вращающий момент в течении 1 мин., % 160 Пусковой вращающий момент в течении 0.5 сек., % 180 Диапазон частот, Гц 0…1000 Разрешение на выходной частоте, Гц ±0.003
Диапазон регулирования скорости:
 Разомкнутая система
 замкнутая система
1…100
1…1000 Число программируемых (по напряжению) аналоговых входов 2 Число программируемых цифровых и аналоговых выходов 2 Число программируемых цифровых входов 8
Частотный преобразователь выбираетсяпо току. Номинальный ток IVLT.N долженбать равен или больше требуемого тока двигателя (Iн = 3.56 А). Выбираем из [12] преобразователь частоты типа VLT 5003. Технические данные ПЧ VLT 5003 приведены в таблице 2.6.
Таблица 2.6.
Выходной ток:
 IVLT.N, A
 IVLT.MAX (60 c), A
4.1
6.5
Выходная мощность,
 SVLT.N, кВт∙А
 РVLT.N, кВт
3.1
1.5 Выходное напряжение, В 0…220 Выходная частота, Гц 0…1000 Время разгона, с 0.05…3600
3.ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Решениео выборе лучшего варианта привода принимается на основе сопоставленияприведенных затрат на одинаковый объем выпускаемой продукции.
В данном проекте необходимообеспечить регулирование продолжительности времени выпечки с коррекцией потемпературе во второй зоне пекарной камеры. При этом необходимо учитывать, чтопроизводительность печи при замене системы привода меняться не должна, а такжежелательно сохранить неизменной конфигурацию оборудования и занимаемую имплощадь.
Ниже рассмотрены некоторые системыпривода конвейера печи.
Регулирование продолжительностивремени выпечки может осуществляться механически при помощи блок-вариатора(существующий вариант). Тогда для реализации коррекции продолжительностивыпечки на маховик вариатора необходимо установить регулирующий механизм(например, сервопривод ), который поворачивал бы маховик в ту или иную сторону,в зависимости от температуры. Такой вариант регулирования очень прост и требуетминимальных капитальных затрат. Однако при частых поворотах ручки маховикабудет сильно увеличиваться износ блок-вариатора, что в конечном итоге приведетк быстрому выходу вариатора из строя. Очевидно, что данный вариантрегулирования нас не устраивает.
Лучшими показателями по сравнению срассмотренным способом регулирования обладает электрическое регулированиепродолжительности выпечки, т.е. изменением скорости вращения приводногодвигателя конвейера.
В настоящее время наибольшеераспространение получили системы электропривода ТП – ДПТ НВ (тиристорныйпреобразователь – двигатель постоянного тока независимого возбуждения) и ПЧ –АД (преобразователь частоты – асинхронный двигатель). Ниже приведена таблица[14], в которой методом экспертных оценок баллами определены рассматриваемыесистемы по ряду показателей:
Таблица 3.1.Система электропривода Р, кВт D M Кап. затраты Масса η, ΔР
Qн, cosφн
Ук
Укэ –
~/>
~ω2 двиг. преобраз. ТП – ДТП НВ от 10 до 10000
1:104 + + ┴ 3.5 2 2 2 3 2 3 ПЧ –АД до 10000
1:104 – ┴ ┴ 3.0 1.5 2 1.5 2 2 2.5
Приняты обозначения: + – применяется,┴ – ограниченно применяются, – – не применяются.
Здесь Ук и Укэхарактеризуют соответственно ущерб от ненадежности и затраты на компенсирующиеустройства (сглаживающие фильтры, дроссели и т.п.).
На основании оценок этой таблицы ужеможно сделать вывод о применении асинхронного электропривода по рядупоказателей: габаритам, КПД, потреблению электроэнергии, реактивной мощности,меньшим затратам на сетевые фильтры. Окончательно это будет решено послерасчета технико-экономического эффекта. При этом необходимо учитывать ряд факторов,таких как большая ремонтнопригодность асинхронных двигателей. Также этопрогрессивность применения преобразователей частоты, которые на данном этапе потрудоемкости и сложности ремонта ненамного превышают тиристорныепреобразователи постоянного тока.

4. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ
4.1 Построение нагрузочной диаграммыс учетом регулирования координат электропривода
Конвейер относится к механизмамнепрерывного действия, для электропривода которого характерен продолжительныйрежим работы S1. За время работы конвейерастатический момент остается постоянным. Для режима работы S1 время пуска и торможения мало посравнению с общим временем работы.
Определим суммарный момент инерции поформуле [1.1]:
/>
Выразим из уравнения движенияэлектропривода:
/>
время пуска электропривода дономинальной скорости:
/>
где: Мдин= М – Мс=Мн – динамический момент электропривода.
Построим нагрузочную диаграммуэлектропривода (рис. 4.1).

4.2 Проверка выбранногоэлектропривода по перегрузочной способности и нагреву
Целью данного расчета являетсяопределение максимального пускового момента электродвигателя, который долженбыть больше момента трогания механизма. Механическая характеристика конвейера(или фрикционная характеристика) приведена на рис 4.2 (кривая 1). Однакоаналитический расчет фрикционной характеристики очень громоздок и требуетдополнительных сведений о элементах кинематической цепи [3]. Поэтомуапроксимируем фрикционную характеристику прямыми линиями (хар-ка 2).
Здесь:
/> – момент трогания;
/> – минимальный момент;
/> – минимальная скорость.
Примем />, тогда
/>.
Преобразователь частоты позволяетразгонять электродвигатель с пусковым моментом, равным критическому. Поэтомуусловие выбора электродвигателя по перегрузочной способности можно записать ввиде:
/>.
Допустимое угловоеускорение:

/>
/>,
0.81λm*Mн=0.81*2.2*10.2=18.2Н·м.
Из расчетов видно, что условие выбораэлектродвигателя по перегрузочной способности выполняется.
Очевидно, что выбранныйэлектродвигатель необходимо проверить по нагреву при работе по нижней скорости.По расчетным кривым (рис. 2.5) определим максимально-допустимый момент поусловиям нагрева:
/>
Получаем μ=0.64. Следовательно, при работе электропривода нанижней скорости максимально-допустимый момент по условию нагрева:
Мдоп=μ*Мн=0.64*10.2=6.5.
Условие проверки ЭД по нагреву Мдоп>Мствыполняется.
Проверка электродвигателя по нагреву,с учетом параметров схемы замещения будут приведен в пункте 6.

5. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИЛОВОЙСХЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
5.1 Выбор сглаживающего дросселя
Силовая часть схемы преобразователячастоты представлена на рис. 2.10.
Для тока короткого замыкания примененыдроссели, индуктивность которых выбирается из того, чтобы ограничить токкороткого замыкания на допустимом уровне в течении времени, пока сработаетзащита Т=10 мкс:
/> мкГн        .                  (5.1)
Выбираем из [15] сглаживающиедроссели типа ФРОС-20. Паспортные данные дросселя приведены в таблице 5.1:
Таблица 5.1.L, мкГн
Iн, А ΔP, Вт 20 5 20
Рассчитаем активноесопротивление дросселя:
/>Ом.
5.2 Выбор силовых диодов
Выбор силовых диодов осуществляетсяпо среднему току нагрузки:

/>,              (5.2)
где: kф=1.6 – коэффициент формы, учитывающий несинусоидальность токачерез диод;
kпер=1.4 – коэффициент запаса наперегрузку при изменении температуры;
kочл=0.8 – коэффициент, учитывающийотклонение условий охлаждения от номинальных.
Расчетное напряжение выбираемыхдиодов определяется по формуле:
/>,            (5.3)
где: Umax – амплитуда выпрямленногонапряжения;
kc – коэффициент, учитывающий возможноеповышение напряжения сети;
k3н — коэффициент запаса по напряжению.
На основе произведенных расчетоввыбираем из [16] трехфазный диодный мост фирмы INTERNATIONAL RECTIFIER 26MT80 со следующими номинальными параметрами (табл. 5.2):
Таблица 5.2.
Uобр.max, B I, A ΔU, B
Ijmax, A
IFSM, A
Rthjc, К/Вт 3001 25 1.26 40 300 1.42
Из выражения теплового равновесияследует:
/>,                                               (5.4)

где: Uпр – прямое падение напряжения на диоде;
Т0– температураокружающей среды;
Тjmax – максимальная температура перехода;
Rthjc – тепловое сопротивлениепереход-среда.
Rthja≈3* Rthjc=3*1.42=4.26 °С/Вт,
/>,                        (5.5)
/>.
Условие выбора диодов по токусоблюдается.
 
5.3 Выбор конденсатора силовогофильтра
Расчет емкости конденсаторов силовогофильтра осуществляется по формуле :
/>, (5.6)
где: Ud – среднее значение выпрямленногонапряжения;
Тн – постоянная временинагрузки;
Rн – активное сопротивление нагрузки;
ΔUc – допустимое повышение напряжения наконденсатора,
ΔUc=0.1*Ud=38В,
/>.
Для набора указанной емкостипотребуется три конденсатора К50-17 350В, 1500 мкФ />.
Определим номинал резистора,ограничивающего зарядный ток
конденсаторов:
/>,
где: Δt – время заряда конденсатора, принимаем Δt=1с.
/>.
Мощность резистора – 150 Вт.
Определим величину разрядныхрезисторов:
/>,
где: Т – постоянная времени разряда,принимаем Т=60с.
/>.
Выбираем из [17] резисторы МЛТ-2 –15кОм –10Вт ±10%
 
5.4 Выбор силовых транзисторов
Выбор силовых транзисторовосуществляется по среднему току нагрузки и напряжению:

/>,
где: kф, kпер, kохл – коэффициенты (см. формулу 5.2)
/>,
где: kпер – коэффициент, учитывающий перенапряжения на транзисторах(принимаем kпер=1.5);
kc, k3н – коэффициенты (см. формулу 5.3).
Выбираем из [16] силовые IGBT-транзисторы типа IRGPH30MD2 фирмы INTERNATIONAL RECTIFIER соследующими номинальными данными (табл. 5. 3):
Таблица 5.3.
Uкэ, B
Uкэпр, В
Iк, А при Т,°С
Рmax, Вт 25° 100° 1200 4.6 6.9 4.5 60
Проверим транзисторы по расчетномутоку при максимальной температуре (150 °С):
/>,                         (5.6)
где: Тj – температура кристалла;
Тс – температураокружающей среды;
Rпр – сопротивление переходаколлектор-эмиттер в открытом состоянии.

/>.
Определим потери, которые могутрассеяться в транзисторе:
/>,                          (5.7)
из них потери на переключениесоставляют:
ΔPком=Wпер*fк=2.18*10-3*5*103=10.9Вт,
где: Wпер – потери энергии при переключении;
fк – несущая частота.
Потери от рабочего тока нагрузки:
ΔР= ΔР- ΔРком=53.8-10.9=42.9Вт.
Допустимый средний ток нагрузки:
/>.                                  (5.8)
Условие выбора транзистороввыполняются, т.к. Iдоп>Iрасч.
 
5.5 Выбор конденсаторов входногофильтра
Выбор входного фильтра служит дляподавления помех, создаваемых при работе преобразователя. Его передаточнаяфункция имеет вид:

/>,
/> />.                                (5.9)
где: Т1, Т2 –постоянные времени;
L – индуктивность сглаживающегодросселя;
R – активное сопротивление преобразователяи сглаживающего дросселя;
С – емкость конденсаторов фильтра.
Активное сопротивлениепреобразователя определим по его техническим данным.
Активная мощность на выходепреобразователя:
/>
Потери активной мощности впреобразователе:
/> Вт.
Найдем активное сопротивлениепреобразователя:
/> Ом.
Найдем суммарное активноесопротивление преобразователя и фильтра:
R=Rп+Rдр=3.1+0.8=3.9 Ом.
Емкость фильтра определим из условия,что электромагнитные процессы в фильтре не будут носить колебательный характер.Для этого необходимо, чтобы корни характеристического уравнения
Т1*р+Т2*р+1=0
были действительными
/>,
Т2>2*Т1. (5.10)
Подставим (5.9) в (5.10) и запишемусловие выбора емкости:
/>.                                        (5.11)
Подставим в (5.11) значенияпараметров и выберем емкость конденсаторов фильтра:
/>.
Выбираем два конденсатора К50-17350В,1500 мкФ, соединенных последовательно.
 
5.6 Выбор тормозного резистора
На тормозном резисторе рассеиваетсяэнергия, передаваемая из двигателя в звено постоянного тока преобразователячастоты при торможении. Он необходим для качественного и быстрого торможения.Для проектируемого электропривода в нормальном режиме работы время торможенияне лимитируется. Однако торможение электропривода в аварийном режима должнопроисходить как можно быстрее. Поэтому заложим в проектируемый электроприводтормозной резистор.
Расчет сопротивления тормозногорезистора будем производить по методике фирмы «Danfoss» [13].
Для расчета сопротивления необходимоопределить пиковую мощность:
РРЕК=Рм*МBR(%)*ηм*ηVLT,
где: Рм – мощностьприводного двигателя;
МBR(%) – соотношение от номинального,вращающегося момента. Принимаем МBR(%)=160%,
ηм – КПД двигателя,
ηVLT – КПД преобразователя частоты.
РРЕК=1500*1.6*0.77*0.96=1774Вт.
Тормозное сопротивление рассчитываетсяпо формуле:
/>,
где: UDC – напряжение в промежуточной цепиинвертора. ПринимаемUDC=810В
/>

6. ПРОЕКТИРОВАНИЕСИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГОУПРАВЛЕНИЯ
6.1 Математическое описание объектауправления
6.1.1 Математическое описаниеасинхронного электродвигателя из уравнений обобщенной машины
Электромеханический преобразователь(ЭМП) в структуре электропривода представляет собой идеализированный двигатель,ротор которого не обладает механической инерцией, не подвержен воздействиюмомента механических потерь и жестко связан с реальным ротором, входящим всостав механической части электропривода. Исследование процессов в ЭМП энергииобычно выполняют не непосредственно на конкретной конструкции, а наэквивалентных моделях. Благодаря тому, что в основе работы ЭМПавтоматизированных электроприводов лежат одни и те же законы, появляетсявозможность создать универсальные общие модели для различных типовпреобразователей. В этом смысле вращающиеся преобразователи можно разделить надве большие группы:
1) Преобразователи,у которых токи (или магнитные потоки) взаимно перемещающихся частей создаются спомощью источников энергии переменного тока.
2) Преобразователи,у которых одна часть (статор или ротор) возбуждаются от источника переменноготока, а другая – от источника постоянного тока.
Одной из наиболее распространенныхтехнических реализаций ЭМП первой группы являются асинхронные машины. Ограничиврассмотрение только трехфазными машинами, используем следующие общепринятыедопущения:
1) Параметры обмотокфаз ротора и статора соответственно одинаковы, а система напряжений фаз симметрична;
2) Магнитопроводыненасыщены;
3) Воздушный зазормежду взаимно перемещающимися частями ЭМП равномерный;
4) МДС в воздушномзазоре синусоидальна;
5) Влияние потерь встали и эффекта вытеснения тока и потока на характеристики ЭМП не учитывается;
6) Обе части ЭМПимеют однотипные распределенные обмотки.
При других исполнениях одной изчастей ЭМП (беличья клетка) ее параметры можно привести к эквивалентнойраспределенной обмотке. На рис. 6.1 дана первичная модель асинхроннойтрехфазной машины, изображаемая обычно в плоскости, перпендикулярной оси вала.Здесь условно изображены сечения обмоток фаз статора (присвоен индекс 1) иротора (присвоен индекс 2), и оси этих обмоток, перпендикулярные их плоскостям.При подключении обмоток к источникам трехфазного переменного напряжения токи вобмотках будут определяться уравнениями равновесия напряжений:
/>

/>
/> (6.1)
/>
где: Ψ – полное потокосцеплениеобмоток соответствующих фаз,
R – активное сопротивление обмоток,
i – фазные токи обмоток,
u – фазные напряжения обмоток.
ЭДС dΨ/dtопределяются изменением короткосцепленных обмоток во времени как под действиемсоответствующих токов во времени, так и под действием взаимного перемещенияобмоток статора и ротора.
Поведение каждой из переменныхисходной (приближенной к реальной конструкции) модели (рис 6.1) может бытьописано как изменение во времени эквивалентных векторов переменных,направленных по осям фаз. Такому описанию соответствует эквивалентная модельмашины, где реальные обмотки заменены эквивалентными сосредоточеннымикатушками, расположенными по осям фаз (рис. 6.2) и обладающими параметрамиобмоток фаз. Для каждой фазы такой модели соотношение переменных удобнопоказать на векторной диаграмме, построенной для произвольно фиксированнойчастоты с учетом принятых ранее допущений (рис. 6.3).Кроме того, при построениивекторной диаграммы параметры ротора были приведены к параметрам статора, адиаграмма построена для фиксированного момента времени, когда вектор фазногонапряжения совпадает с осью фазы при вращении векторов против часовой стрелки.Эта диаграмма представляет своего рода математическую абстрактную модель,основанную на известном в электротехнике приеме изображения гармоническихфункций в виде вращающихся временных векторов. Реальные временные соотношениямежду переменными фазы определяются проекциями вращающихся векторов на осьфазы, а временные фазовые сдвиги между переменными соответствуют углам междувекторами. Следует отметить, что для упрощения диаграмма построена для машины,возбуждаемой только со стороны статора.
Все векторы на диаграммесоответствуют реально существующим переменным, кроме намагничивающего тока Im. Этот ток определяет по модулю ифазе часть тока статора, которая проходя через обмотку с индуктивностью, равнойвзаимной индуктивности фаз статора и ротора Lm, создает в воздушном зазоре ЭМПрабочее потокосцепление Ψm. Полное же потокосцепление каждой
катушки (см рис. 6.2) определяетсясуммой рабочего потокосцепления и потокосцепления рассеяния (Ψ1σили Ψ2σ). Поскольку потокосцепления определяютсясовокупным действием всех токов, то для мгновенных значений переменных фазыможно записать:
/>/>;
 (6.2)
/>.
Здесь L1=Lm+L1σ; L2=Lm+L2σ; L1, L2 – полные индуктивности статора иротора соответственно; L1σ, L2σ – индуктивности рассеяния соответствующих фаз; Lm – взаимная индуктивность фаз статораи ротора, причем Lm втрехфазных машинах, благодаря взаимному влиянию всех трех фаз, в 3/2 разабольше взаимной индуктивности фаз статора и ротора при их соосном расположении.
Поскольку рабочее потокосцеплениеявляется общим для обмоток, как статора, так и ротора, то на основании (6.2),раскрывая полные индуктивности, можно записать для каждой фазы:
/>;
/>.
Так как без учета активнойсоставляющей тока холостого хода İ1+İ2≈ݵ,получим:

/>/>; (6.3)
/>.
Таким образом, рабочеепотокосцепление можно выразить непосредственно через сумму токов статора иротора:
/>. (6.4)
В уравнениях (6.2) – (6.4) всепеременные – функции времени, выраженные через соответствующие временныевекторы.
Под действием рабочих потокосцепленийобмоток всех (в нашем случае трех) фаз машины в воздушном зазоре формируетсявращающееся магнитное поле, которое можно описать вращающимся эквивалентнымпространственным вектором в плоскости, перпендикулярной оси вала. Учитывая, чтопеременные величины описываются временными векторами, пульсирующими по осям фаз(рис. 6.2), примем за начало отсчета времени момент прохождения рабочегопотокосцепления фазы а через нулевое значение. Тогда для мгновенных значенийрабочих потокосцеплений фаз можем записать:
/>

 /> ;
 /> ; (6.5)
/>.
Считаем машину двух полюсной, чтообщепринято при построении математических моделей. В этом случае угловаячастота сети ω1 будет соответствовать угловой скоростимагнитного потока в воздушном зазоре и, соответственно, синхронной скоростиротора. Задав вначале ω1t=0 и для простоты построений приняв Ψmmax=1,из (6.5), получим Ψma=0; Ψmb=-/>; Ψmc=/>. Учитывая, чторабочие потокосцепления фаз ориентированы по осям фаз и, сложив ихгеометрически, получим (6.6) – результирующий пространственный вектор Ψ1для момента времени ω1t=0 (рис. 6.4). Проделав ту же операциюдля ряда последовательных значений ω1t (ω1t=60°и т.д.), можно показать, что результирующий пространственный вектор будетвращаться со скоростью ω1t, а его амплитуда в /> раза больше модуля соответствующеговременного вектора фазы.
Таким же образом мы можем получитьрезультирующие пространственные всех электромагнитных переменных машины.Поскольку при формировании результирующих векторов геометрически складываютсясоответствующие временные векторы, ориентированные в пространстве по осям фаз иимеющие одинаковые фазовые сдвиги относительно других временных векторовсобственной фазы, конфигурация пространственной векторной диаграммы машиныбудет такой же, как и у временной диаграммы фазы. На рис. 6.3 приведенапространственная временная диаграмма асинхронной машины при ее возбуждениитолько со стороны статора. Поскольку характеристики ЭМП определяются изменениемамплитуд и взаимной ориентации векторов переменных, на рис. 6.5 начальная фазавекторов выбрана произвольно относительно координатных осей x, y, причем эти оси вращаются в пространстве с угловой скоростьюω1. Кроме того, пространственный угол δ междурезультирующими векторами рабочего потокосцепления и тока ротора по аналогии ссинхронными машинами будем называть углом нагрузки. Так же принята системаобозначений координатных осей: х – продольная ось, у – поперечная ось.
Для пространственной векторноймодели, так же как и для первичной модели, можно написать уравнения равновесиянапряжений:
/> />;
 (6.6)
/>.
Здесь, как и на рис. 1.6 /> -- пространственныевекторы. Однако такие уравнения непосредственно нельзя решать совместно,поскольку переменные статора записаны в статорной системе координат, апеременные ротора (помечены верхним индексом (2)) в роторной системе, т.е.вращаются относительно статора с угловой скоростью ω. В результате осистатора и ротора сдвинуты относительно друг друга на переменный угол θ(t). Для того, чтобы привести уравнениероторной цепи к неподвижным осям статора, необходимо вектор потокосцепленияротора домножить на оператор поворота е-jθ, а затем «заставить» все векторыуравнения ротора вращаться быстрее относительно ротора, увеличив их скорости наугловую скорость ротора, т.е. умножить все члены уравнения ротора на оператор еjθ. Тогда получим:
/>,
или:
/>,

где все величины записаны вкоординатах статора.
Учитывая, что />, систему (6.6) перепишем в неподвижных координатахстатора:
/> />
                                                                   (6.7)
/>
Поскольку корректность математическихмоделей не зависит от выбора координатных осей, но вид координат можетупростить анализ, обычно в зависимости от объекта и задач исследования выбираютодну из трех координатных систем: неподвижную (6.7), синхронно вращающуюся впространстве со скоростью поля статора или вращающуюся со скоростью ротора.Чтобы привести уравнение (6.7) к координатам, вращающимся в пространстве вобщем случае с произвольной скоростью ωĸ, можно воспользоваться тем же приемом, домножив переменные векторы наоператор поворота />, где θk – угол между координатной системой ипространственными векторами. Тогда получим:
/> />;
 (6.8)
/>,
где:
/>/>;
(6.9)
/>.
В уравнениях (6.6) – (6.9) индекспринадлежности к координатным системам опущен, однако следует помнить, что онизаписаны в различных координатных системах.
При анализе удобнее использовать ненепосредственно векторные уравнения, а уравнения в проекциях векторов накоординатные оси. Обозначив эти оси х и у, запишем систему (6.8) в проекциях наоси:
/>

/>;
/>;
 (6.10)
/>;
/>.
В этой системе уравнений четыренеизвестных тока и четыре потокосцепления. Для решения системы следуетэлектромагнитные переменные выразить либо через потокосцепления, либо черезтоки. Выразим потокосцепления через токи, для чего спроецируем векторыпотокосцеплений (6.9) на координатные оси:
/>/>;
/>;
/>;
/>.
Учитывая симметрию асинхронной машиныпо осям х, у, перепишем (6.11) в виде:
/>/>;
/>;
(6.11)
/>;
/>.
Электромагнитный момент, возникающийпри взаимодействии токов и потоков взаимно перемещающихся частей ЭМП независимоот способов их возбуждения, определяется векторным произведениемрезультирующего вектора рабочего потокосцепления в воздушном зазоре ирезультирующего вектора тока одной из частей ЭМП, например:
/>. (6.12)
Учитывая, что в ЭМП электромагнитныепеременные взаимозависимы, электромагнитный момент можно выразить через любуюпару векторов. Подставив (6.4) в (6.12), получим:
/>. (6.13)
Заменив в (6.13) im на i1+i2, получим:
/>. (6.14)
Проектируя векторное уравнение (6.14)на координатные оси х, у, получим для момента:
/>. (6.15)
При переходе к двухфазной моделисогласно [18], выражение для электромагнитного момента запишем в виде:
/>. (6.16)
Движение механической частиэлектропривода описывается уравнением:
/>.
Запишем систему уравнений,описывающих электромеханические и механические процессы в асинхронномдвигателе:

/>/>;
/>;
/>;
/>;
/>;
(6.17)
/>;
/>;
/>;
/>;
/>.
6.1.2 Математическое описаниеасинхронного электродвигателя в установившихся режимах
Для анализа свойств асинхронныхдвигателей в установившихся режимах обычно используют схему замещения фазымашины (рис. 6.7), соответствующую векторной диаграмме, приведенной на рис. 6.3и общепринятые допущения, сформулированные ранее. На рис. 6.7.а символ S обозначает скольжение, а остальныеобозначения были использованы ранее. Однако эта схема неудобна для анализа припеременной частоте, поскольку все сопротивления, кроме активного сопротивленияобмотки фазы статора R1, являются функциями частоты.Поэтому, введя понятие относительной амплитуды /> и относительной частоты />, выделимпеременные и параметры, перейдя к схеме замещения на рис.6.7.б. Здесь всеиндуктивные сопротивления соответствуют номинальной частоте питающегонапряжения машины [ ]. Кроме того, скольжение S при переменной частоте не определяет однозначно степенинагрузки машины, являясь еще и функцией частоты напряжения на статоре. Поэтомуего удобнее выразить через относительные частоты:
/>, (6.18)
где: /> – абсолютная и относительная частоты токов ротора.
Используя схему замещения, найдемвыражения для действующих значений электромагнитных переменных. Ток фазыстатора:
/> (6.19)
Здесь U1н – номинальное фазное напряжение машины; х1=хm+х1σ – полноеиндуктивное сопротивление контура статора при разомкнутом роторе; х2=хm+х2σ – полноеиндуктивное сопротивление контура статора при разомкнутом статоре; /> – коэффициентрассеяния.
Кроме того, нужно иметь в виду, чтороторные величины приведены к статорным, хотя индекс приведения здесь и далееопущен.
Ток фазы ротора:
/>. (6.20)
Намагничивающий ток:
/>. (6.21)
Потокосцепление в воздушном зазоре:
/>, (6.22)
где /> -- конструктивная постояннаястатора;
 kоб – обмоточный коэффициент;
 ω1 – числопоследовательных витков одной фазы.
Уравнения электромагнитного моментаможно получить, используя выражение либо для электромагнитной мощности, либовекторное уравнение (6.14). Рассмотрим первый путь.
Электромагнитная мощность будет:
/>.
Подставляя сюда выражения (6.18) –(6.20), находим:

/>,
при этом для момента можем записать:
/>. (6.23)
Уравнения (6.19) – (6.23) описываютэлектромеханические свойства двигателя в установившемся режиме.
6.1.3. Составлениеструктурной схемы частотно-регулируемого асинхронного двигателя
При исследовании асинхронных машинобычно используют одну из трех координатных систем: с привязкой осей кэлементам конструкции статора (неподвижные оси); с привязкой осей к элементамконструкции ротора; оси, синхронно вращающиеся в пространстве. При этомосновным принципом выбора координатной системы является простотаматематического описания электромагнитных процессов в машине.
При решении задач анализа и синтезачастотно-регулируемых электроприводов кроме этого принципа при выборе системыкоординат необходимо учитывать еще простоту математической моделиавтоматизированного электропривода, а это прежде всего определяется требованиямик управляемости, т.е. к качеству регулирования основных элементов – скорости имомента. С этих позиций координатные оси, ориентированные по элементамконструкции (статора или ротора), оказываются неудобными, поскольку вустановившихся режимах электромагнитные переменные двигателя будут иметьчастоты, отличные от нуля, а исследование системы придется выполнять на несущейчастоте. С этих позиций для частотно-регулируемых электроприводов любого типанаиболее удобными являются координатные оси, синхронно вращающиеся впространстве. В этом случае в установившихся режимах пространственные вектораэлектромагнитных переменных оказываются неподвижными относительно осей, а ихпроекции на оси – скалярными величинами, что позволяет при анализе и синтезеиспользовать методы и аппаратурные средства, хорошо разработанные дляэлектроприводов с двигателями постоянного тока.
Более того, в синхронных осяхпоявляется дополнительная возможность упрощения математических моделей какдвигателя, так и электропривода в целом за счет привязки координатных осей кодному из пространственных векторов электромагнитных переменных. В зависимостиот выбранного для ориентации координатных осей опорного вектора можно построитьодну из семи структурных схем асинхронной машины – в координатах u1, i1, i2, Ψ1, Ψ2, Ψm или er и соответствующие им структурные схемы частотно-регулируемыхэлектроприводов. Если рассматривать структурные схемы только асинхронныхдвигателей с точки зрения их простоты и возможностей организации управления,предпочтительными являются структуры с ориентацией по Ψ1, Ψ2.Структурыс ориентацией по токам i1, i2 имеют наименьшее число перекрестных связей, однакоформирование сигналов по ω1 здесьнаиболее сложно. Структура с орентацией по u1 содержит большее число перекрестных связей и блоковумножения, но формирование входных воздействий здесь проще, чем в остальныхструктурах. В тоже время при выборе координатной системы длячастотно-регулируемых приводов с короткозамкнутыми асинхронными двигателямиследует учитывать, что ток ротора в таких системах измерить невозможно, апоэтому одной из целесообразных здесь могут быть структуры в координатах u1, Ψ2 или i2.
Кроме того, при выборе координатнойсистемы не следует забывать и о физической реализации самой системы. А с этихпозиций, какие бы координатные системы не использовались при построенииструктурной схемы электропривода, аснхронный двигатель управляется амплитудой,фазой и частотой реальных фазных напряжени; поэтому чем больше преобразованийпретерпевают эти переменные при переходе к эквивалентной модели, тем большекоординатных и функциональных преобразований необходимо выполнить в каналахформирования реальных сигналов управления, и эти усложнения должны бытьтехнически оправданы. Следовательно, если иметь в виду электропривод сасинхронным короткозамкнутым двигателем, то окончательный выбор одной изкоординатных систем (u1, Ψ2, i2 ) должен определяться требованиями ккачеству регулирования в статических и динамических режимах.
Как известно, электромагнитныепереходные процессы в асинхронном двигателе носят колебательный характер,причем колебания свободной составляющей электромагнитного момента определяютсяпрежде всего колебаниями фазовых сдвигов токов. Поэтому в быстродействующихэлектроприводах, где качания электромагнитного момента жестко нормированы,необходимо организовать управление не только по амплитуде напряжений (токов),но и по фазе тока. В этом случае в системах с управлением по напряжению длячастотно-регулируемых электроприводов с асинхронными короткозамкнутымидвигателями целесообразны структуры с ориентацией по Ψ1. Если требования к быстродействию позволяют уменьшитьамплитуду качаний момента за счет снижения форсировки, то можно воспользоватьсякоординатами, ориентированными по u1, и перейтина управление только по уровням напряжений, токов и потокосцеплений. В этомслучае более сложная структурная схема двигателя оправдывается существеннымупрощением информационной части системы.
 На основании выше изложенныхрассуждений выбираем систему координат, вращающихся в пространстве с угловойскоростью вектора тока статора (х, у) и ось х с осью вектора напряжения />. Тогда дляописания электромагнитных процессов воспользуемся системой уравнений (6.17),учтя при этом: ω2=ω1–pп*ω, u1x=U1m, u1y=0:
/>/>;
/>;
/>;
/>;
/>;
(6.25)
/>;
/>;
/>.
Преобразуем систему (6.25) по Лапласуи получим:

/>;
/>

/>;
/>;
/>;
/>;
(6.26)
/>;
/>;
 />.
Преобразуем систему (6.26) к виду:
/>/>;
/>;
(6.27)
/>;
/>.
Выразим из (6.27) токи:
/>/>;
/>;
/>;
/>.
Разделим числитель и знаменательпервых двух уравнений на R1, а вторых двух – на R2, и введем обозначения постоянных времени:
/>.
/>/>;
/>;
(6.28)
/>;
/>.
Дополним систему (6.28) уравнениемэлектромагнитного момента (6.16) и выразим скорость из уравнения движения,преобразуя, преобразуя их в операторную форму:
/>/>;
/>;
(6.29)
/>;
/>;
/>;
/>.
По системе уравнений составимструктурную схему асинхронного электродвигателя и механической частиэлектропривода (графическая часть: лист4).
6.2 Расчет основных параметров дляфункциональной схемы САУ
6.2.1 Определение потерь мощности вэлектродвигателе
Энергетическая диаграммаэлектродвигателя представлена на рис. 6.8.
Расчет потерь мощности будем вестидля номинального режима работы электродвигателя.
Потребляемая электрическая мощность:

/>.
Добавочные потери мощности:
/>.
Механические потери мощности:
/>.
Механическая мощность:
/>.
Электромагнитная мощность:
/>.
Потери в меди ротора:
/>.
Потери в меди статора:
/>.
Потери мощности в стали ротора дляноминального режима можно пренебречь, т.к. частота тока ротора для номинальногорежима составляет fн=f1н*Sн=50*0.067=3.4 Гц, поэтому потери встали ротора пренебрежимо малы.
Потери мощности в стали статора:
/>.
6.2.2 Расчет параметров схемызамещения
Расчет параметров схемы замещениябудем производить согласно методике, изложенной в [18]. Расчет производится наосновании системы уравнений электромеханического преобразователя в системекоординат α, β, жестко связанных со статором. При расчетевоспользуемся схемой замещения фазы асинхронного двигателя (рис. 6.7.а).
Абсолютное скольжение:
/>,
где: ω1н –номинальная угловая скорость вращения вектора тока статора,
ωн – номинальнаяугловая скорость вращения ротора,
pп – количество пар полюсов.
Электромагнитный момент одной парыполюсов:
/>.
Амплитуда векторов тока и напряжения:
/> А,
/> А.
Номинальный sinφ:
/>.
Проекция вектора потокосцеплениястатора на оси α и β:
/>,
/>.
Амплитуда вектора потокосцеплениястатора:
/>.
Определим коэффициенты:
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>
/>,
/>.
Рассчитаем параметры схемы замещенияАД. Индуктивность обмотки статора:
/>.
Взаимоиндуктивность между обмоткамистатора и ротора:
/>.
Индуктивность обмотки ротора:
/>.
Активное сопротивление обмоткиротора:
/>.
Индуктивность рассеяния обмоткистатора:
/>.
Индуктивность рассеяния обмоткиротора:
/>.
6.3 Синтез регулятора момента
По способу регулированиямаксимального момента электроприводы с асинхронными короткозамкнутымидвигателями можно разделить на две группы:
1) с независимымрегулированием частоты;
2) с зависимымрегулированием частоты.
При независимом регулировании частотыосновными переменными являются амплитуда (/>) и частота (/>) подаваемого на статорнапряжения (системы скалярного управления), а при зависимом – /> и /> – частота тока ротора(системы векторного управления). В электроприводах с независимым управлениемчастотой регулирование максимального момента обычно осуществляется за счетизменения амплитуды напряжения при заданной частоте, причем частота, какправило, принимаются за независимую переменную. Регулирование, как правило,осуществляется в функции одной или нескольких переменных, а предельныереализации управляющих воздействий называют законами частотного регулирования.
В реальных установках организоватьуправление по тому, или иному закону чисто программным способом невозможно, апоэтому вопрос выбора закона частотного регулирования необходимо решать нетолько с позиций достижимого результата, но прежде всего с позиции егорегулируемости, которая, как правило, определяется возможностями программногообеспечения. Непосредственно измерить в асинхронной машине с короткозамкнутымротором можно напряжение и ток статора и скорость ротора. При частичнойразборке машины можно поместить на статор датчик ЭДС. Непосредственное жеизмерение момента на валу двигателя обычно не используется из=за сложностей сразмещением датчиков и съемов сигналов. Формирование сигналов обратной связи поЭДС с помощью датчиков тока и напряжения дает удовлетворительную точность принапряжении и токе, близких к синусоидальным. В противном случае векторноесравнение сигналов с различным гармоническим составом, меняющимся и отуправляющего воздействия и от нагрузки, может привести к недопустимымпогрешностям.
Наиболее просто вчастотно-регулиремом электроприводе организовать измерение напряжения и токастатора. Но поскольку напряжение является регулируемой переменной, тоиспользование таких сигналов компенсирует падение напряжения в вентильном преобразователелинеализует его регулировочную характеристику, но не определяет законарегулирования.
На основании вышесказанного дляпроектируемого электропривода выбираем систему стабилизации момента сположительной обратной связью по току [ 18].
Функциональная схема стабилизациимаксимального момента приведена на рис. 6.9.а, где: У – усилитель, ПЧ –преобразователь частоты, ДТ – датчик тока, а двигатель показан состоящим издвух частей М1 и М2. Поскольку нас интересует регулирование тока статора имомента при заданных uf и f1, то выход по скорости не показан.
Структурная схема контура тока встатистических режимах приведена на рис. 6.9.б, где: /> – коэффициент передачипреобразователя, по напряжению:

/>;
/> – коэффициент передачи двигателяпо току;
/> – коэффициент передачи датчикатока,
/>;
kу – коэффициент усиления регулятора момента.
На основании структурной схемы длятока статора можно записать:
/>. (6.30)
Из общего уравненияэлектромеханической характеристики (6.19) найдем:
/>.                                (6.31)
Подставив (6.31) в (6.30), получимуравнение электромеханической характеристики с положительной обратной связью вканале регулирования амплитуды напряжений:
/>.                       (6.32)

Подставив (6.32) в (6.20), запишемуравнение механической характеристики исследуемой системы:
/>.         (6.33)
Уравнения (6.32), (6.33) неудобны длярасчетов, поскольку содержат две независимые входные переменные u3 и />. В то же время система управлениячастотно-регулируемым приводом строится таким образом, что без обратной связиобеспечивается пропорциональный закон регулирования />, а обратная связь корректируетзакон изменения напряжения относительно частоты. В этом случае:
/>,                                               (6.35)
где: u3н – номинальный сигнал задания.
С учетом (6.35) перепишем (6.32) и(6.33):
/>,                            (6.36)
/>.         (6.37)
Аналитическое определениекоэффициента усиления весьма сложно, что обусловлено сложностью функции взнаменателе (6.37), а также тем, что на входе системы сравнивается сигналуправления скоростью с сигналом управления по току статора, в общем случае независящем от скорости, что требует функциональной зависимости ky(u3).
Однако расчеты можно упростить безсущественного снижения качества синтезирующей системы, исходя из следующихсоображений:
1) В реальныхсистемах нет необходимости точно соблюдать условие Мк=Мдоп,а достаточно обеспечить Мк>Мтр во всем диапазонерегулирования />, где Мдоп и Мтр– максимальный допустимый момент двигателя и требуемый по условиюперегружаемости момент. Мдоп ограничивается насыщениеммагнитопровода машины.
2) При этом, дажеесли на отдельных уровнях /> будем иметь Мк>Мдоп,то перегрузки в автоматизированном электроприводе обычно снимают задержаннымиобратными связями и другими средствами внешней информационной системы.
3) Благодарясочетанию свойства асинхронного двигателя терять перегружаемость при снижении /> и свойстваположительной обратной связи по току увеличивать форсировку при снижении u3 появляется возможность отыскать такие оптимальныезначения ky=const, при которых обеспечивается условие Мк>Мтрво всем диапазоне />. Это подтверждают и функции взнаменателе (6.36) и (6.37), предельные значения которых будут
/> и />.
С учетом сказанного определениеискомых параметров будем выполнять по следующей схеме:
1. Исходя из условий/> и />, строиммеханические характеристики для />, которые в дальнейшем будемназывать естественными характеристиками частотно-регулируемого электропривода.Для построения используем (6.23) с подстановкой />, />, />, предварительно найдя значениячленов формулы:
/>;
/>;
/>;
/>;
/>;
/>. (6.38)
Результаты расчета представлены ввиде графика на рис.6.10.
2. Для этих жечастот построим предельные по условиям насыщения механические характеристики спотокосцеплением Ψm=const, выбранным за предельное. Эти характеристики построим по формуле из [18]при условии Iμ=Iμн=const:
/>,                             (6.39)
где номинальный намагничивающий токопределен по (6.21):
/>

Результаты расчета представлены ввиде графика (рис.6.10).
3.На характеристиках, соответствующих />, проводим горизонталь ab (рис. 6.10), соответствующую
/>.
Точкам любых характеристик с f1min=const,лежащих на линии ab, будетсоответствовать условие />.
4. На линии ab задаем Mтр=Mc
/>.                                              (6.40)
Найдем Iпред,соответствующее Mпред при /> на линии ab и выбранном Iμ:
/>.
Учитывая, что при /> и />
/>,                                               (6.41)
найдем ток статора в расчетной точке:
/>.
Подставив найденный ток в (6.36),найдем искомый коэффициент усиления ky:
/>
6.4 Построение статическиххарактеристик электропривода
По уравнению (6.19) построиместественную электромеханическую характеристику электропривода:
/>.           (6.42)
Результаты расчета представлены ввиде графика (рис.6.11).
Естественная механическаяхарактеристика была построена в пункте 6.3.
Для построения искусственныхстатических характеристик на основании структурной схемы запишем выражение длянапряжения:

/>.                           (6.43)
Подставим в (6.43) выражение для тока(6.19):
/>.                (6.44)
Из уравнения (6.44) выразим U1и запишем выражение:
/>.                            (6.45)
При построении искусственныхстатических характеристик следует учесть ограничение подводимого кэлектродвигателю напряжения. Напряжение U1 будем ограничивать науровне U1max=1.1 U1н.
Составим систему уравнений дляпостроения искусственных механических и электромеханических характеристикэлектропривода:

/>/>
/>;
(6.46)
/>;
/>;
 />.
Построим по системе (6.46)статические характеристики для двух скоростей /> и />. Результаты расчета представленыв виде графиков (рис. 6.11, 6.12).

6.5 Проверка электродвигателя понагревупри работе на нижней скорости
Известно, что у само вентилируемыхдвигателей ухудшаются условия охлаждения при снижении частоты вращения. Поэтомунеобходимо проверить, соблюдаются ли условия по нагреву при работе на нижнейскорости диапазона регулирования. Расчет допустимого момента по условиямнагрева будем
производить по методике, изложенной в[8].
Известно, что лимитирующей по нагревучастью асинхронного короткозамкнутого двигателя в установившемся режимеявляется изоляция обмотки статора. Среднее установившееся превышениетемпературы обмотки статора может быть определено по методу эквивалентныхпотерь, согласно которому уравнение теплового баланса записывается следующимобразом:
/>,                        (6.47)
где: τ∞ –установившееся превышение температуры статора;
 /> – теплоотдача, зависящая отугловой скорости;
 /> – коэффициенты внешнегоподогрева, учитывающие долю внешних потерь, участвующих в нагревании обмоткистатора, в общем случае зависящие от скорости.
/>,                                   (6.48)
/>,                                      (6.49)
/>,
/>.
Распишем выражения для ΔPM1,ΔPM2, ΔPcm:
/> (6.50)
/>;   (6.51)
/>,                           (6.52)
где: ΔPсmвн –номинальные потери в стали на вихревые токи;
φ – относительное значениепотока;
ΔPсmгн – номинальныепотери в стали на гистерезис.
Перепишем (6.42) в виде:
/>. (6.53)
Для номинального режима уравнение(6.53) примет вид:
/>,
или
/>,                                          (6.54)
где: hτ – доляэквивалентных греющих потерь при номинальном режиме.
Поделив почленно (6.53) на (6.54),получим уравнение теплового баланса при частотном управлении в относительныхединицах:
/>(6.55)
Примем допущение [8]:
/>,                                              (6.56)
где: μ – относительное значениемомента.
Подставим (6.56) в (6.55) и выразимμ:
/>.                         (6.57)
Определим значения постоянныхкоэффициентов:
/> 
/>;
/>;
/>;

/>;
/>;
/>.
Примем из [8] />, тогда:
/>,
/>.
Выразим из (6.21) формулу дляопределения относительного тока намагничивания im:
/>.   (6.58)
Т.к. электропривод работает вустановившемся режиме с нагрузками меньше номинальной, то примем φ=im.
Запишем выражение для /> – коэффициент изменениятеплоотдачи:
/>,
где: λ0– коэффициенттеплоотдачи для неподвижного двигателя. Примем λ0=0.4 из [8].Запишем систему уравнений для определения μ:
/>/>
/>
/>
(6.59)
/>;
/>;
/>;
По системе уравнений (8.37) построимзависимость допустимого по
нагреву момента от частоты питающегонапряжения, приняв />. Результаты расчета представленыв виде графика на рис. 6.13.Определим, какой допустимый момент можно иметь с АД на нижней скоростидиапазона регулирования. />. Из рис. 6.13 видно, что μ(/>)≈0.7.
/>.
Следовательно, данный двигательудовлетворяет условиям нагрева, т. к. Мдоп>Мсm=5.1H·м
7. АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
 
7.1 Моделирование динамикитехнологической установки
Упрощенная структурная схемаэлектропривода представлена на рис. 7.1. Полная структурная схема представленав графической части (лист 4). Схема управления электроприводом обеспечиваетавтоматическое регулирование скорости вращения электродвигателя и коррекциюскорости вращения по температуре во второй зоне пекарной камеры. Сигнал заданиятемпературы и задания скорости задаются задатчиками температуры (ЗТм) искорости (ЗС). Датчик температуры (ДТм) измеряет температуру (Тм) во второйзоне пекарной камеры и преобразует ее в в сигнал обратной связи по температурес коэффициентом kотм. Регулятор температуры (РТм)формирует закон коррекции по разности сигналов задания и обратной связи.Устройство ограничения У01 ограничивает сигнал с выхода регулятора температурына заданном уровне. На вход задатчика интенсивности поступает сумма сигналовзадания скорости Uзс и коррекции температуры Uктм. Задатчик интенсивности формируетсигнал задания скорости />, контролируя интенсивность егонарастания Применение ЗИ необходимо для обеспечения плавного пускаэлектропривода с контролируемым ускорением. Система управления преобразователячастоты формирует сигналы задания амплитуды напряжения UзU и угловой скорости Uω. Устройство ограничения У01 ограничивает сигнал с выходарегулятора тока (РТ) на уровне допустимого. Сигнал необходимо ограничиватьиз-за условия ограничения электродвигателя по напряжению. Силовая схемапреобразователя частоты (УН, УЧ) представлена безынерционными звеньями (kU, kω), т.к. система управленияреализуется на микропроцессорном контроллере с высоким быстродействием, асиловые ключи коммутируют с высокой частотой (5 кГц). Структурная схемаасинхронного электродвигателя (графическая часть: лист 4) описывается системойдифференциальных уравнений в операторной форме (6.29). Произведем расчетпостоянных времени электродвигателя по уравнениям (6.28):
/>,
/>,
/>,
/>.
Колебаниятемпературы в зонах пекарной камеры возникает при начальной загрузке печи,когда происходит интенсивное поглощение тепла тестовыми заготовками. Т.к.процессы теплообмена высокоинерционные, то быстро компенсировать изменениетемпературы невозможно из-за ограниченной величины напряжения, прикладываемогок электронагревателям. Но с другой стороны, для создания оптимального режимавыпечки компенсирование изменения температуры можно произвести изменениемпродолжительности времени выпечки, т.к. этот контур регулирования обладаетвысоким быстродействием. Также возмущающим воздействием для температуры впекарной камере является изменение состава тестовых заготовок.
Допустим, что колебания температурыносят периодический характер. Тогда эти колебания можно разложить в ряд Фурье ивыделить постоянную составляющую. Коэффициент обратной связи по температуре kотм следует подбирать таким образом,чтобы сигнал задания температуры был равен сигналу, пропорциональномупостоянной составляющей температуры. Тогда сигнал рассогласования будетпропорционален изменению гармонических составляющих температуры.
Коэффициент усиления регуляторатемпературы настраивается так, что при изменении температуры на 10˚скорость вращения изменялась на 10% номинальной скорости электродвигателя (14.6с-1), что соответствует напряжению задания скорости ≈1В.
Допустим, выпекается хлеб «Злаковый».Температура во второй зоне пекарной камеры (табл. 1.2) изменяется в пределах260…280 ˚С. Усредним значение изменения температуры (270 ˚С) и будемсчитать, что эта температура соответствует постоянной составляющей. Амплитудупервой гармоники примем 10 ˚С. Тогда при сигнале задания температуры 10В(соответствует 270˚С) коэффициент обратной связи по температуре будет:
/>.
Сигналрассогласования между заданием и обратной связью
/>.
Тогдакоэффициент усиления РТм:
/>.
Т.к. при увеличении температурыскорость вращения двигателя должна увеличиваться, а при уменьшении –уменьшаться, то выход РТ должен быть инверсным. Принимаем kТ=-2.7.
Моделирование переходных процессов вэлектроприводе будем производить при помощи математического программного пакетаMATLAB и его приложения SIMULINK, позволяющего реализоватьструктурную схему. Моделирование будем производить для трех режимов:
1. Разгон домаксимальной скорости, работа на максимальной скорости и торможение до нуля.
2. Разгон доминимальной скорости, работа на минимальной скорости и торможение до нуля.
3. Разгон домаксимальной скорости и коррекция скорости по температуре.
Прирассмотрении первых двух режимов необходимо выявить особенности частотногорегулирования, способа управления и особенности системы стабилизации момента собратной связью по току статора. Поэтому выход регулятора температуры для этихрежимов обнулен, т.е. коррекция не действует.
При рассмотрении третьего режиманеобходимо убедиться в работоспособности устройства коррекции температуры.
Рассмотрим первый режим работы. Результатымоделирования представлены в виде графиков (рис. 7.2-7.17). Как видно изрисунка 7.5, в начальный промежуток времени скорость не изменяется и равнанулю. Обычно такой промежуток времени называют запаздывание. Такой вид кривойскорости объясняется несколькими причинами:
1. Нагрузкаэлектропривода реактивная и носит знакопеременный характер, что ухудшаетусловия пуска.
2. Наличие моментатрогания.
3. Некачественнаякривая вращающегося момента (рис. 7.4). Наличие колебательности и медленностинарастания момента.
Некачественностькривой момента можно объяснить следующими причинами. Элекромагнитный моментявляется функцией тока ротора, магнитного потока и скольжения:
М=Ф*I2*cosφ2.
Т.к. всетоки и потоки асинхронного электродвигателя взаимосвязаны, то изменение однихприводит к изменению других, и наоборот. В начальный момент времени магнитныйпоток стремиться достичь своего номинального значения. Из-за взаимосвязи потокас токами статора и ротора это процесс носит колебательный характер, что в своюочередь вызывает колебания токов статора и ротора (рис. 7.6), что в конечномитоге вызывает колебание момента. Если какими-то либо причинами удалось бысоздать начальный магнитный поток на уровне номинального, то кривая момента припуске имела бы прямоугольный вид. Это предположение косвенно подтверждается нарис. 7.4, где динамический момент при торможении постоянный. Таким образом,напрашивается вывод: чтобы получить хорошие переходные процессы (прямоугольныйвид динамического момента, линейную скорость и т.д.), необходимо регулироватьмагнитный поток и ток статора независимо друг от друга.
Рассмотримвторой режим. Из рис.7.19 – 7.24 видно, что переходные процессы вэлектроприводе схожи для двух режимов. Разница состоит в том, что во второмслучае увеличилась колебательность. На мой взгляд, это объясняется тем, чтоувеличилось соотношение U/f,т.к. на верхней скорости выход регулятора момента был ограничен предельнымзначением.
Анализируяработу электропривода в первых двух режимах, можно сделать выводы:
1. Ускорение при пуске не выходит за границы допустимого значения [адоп]=0.4м/с2.
2. Электропривод работает устойчиво во всем диапазоне регулирования.
3. Пусковой момент не превышает 180% от номинального, что соответствуетрежиму работы ПЧ VLT5000.
4. Тормозной момент не превышает 160% от номинального, что соответствуетмощности тормозного резистора.
Рассматриваятретий режим работы (рис. 7.25 –7.26), можно сделать вывод что скоростьдвижения конвейера изменяется по корректирующему сигналу почти мгновенно. Можносказать, что запаздывание отсутствует.
 
7.2Определение показателей переходных процессов
Косновным показателям относятся время регулирования, колебательность,перерегулирование.
Показателикачества переходных процессов определим для режимов работы 1 и 2 для кривойскорости.
Длярежима работы 1 (рис 7.5):
 Времярегулирования: tр=1 с.
Перерегулированиеи колебательность отсутствуют.
Определимпоказатели качества переходных процессов для режима работы 2 (рис. 7.19):
Времярегулирования: tр=0.55 с.
Перерегулирование:
/>.
Колебательность:δ=4.
Такимобразом, можно сделать вывод, что система электропривода имеет приемлемыепоказатели качества переходных процессов.

8. ВЫБОР И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫАВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ УСТАНОВКИ
8.1 Формализация условий работыустановки
Приавтоматизации печей объектом управления является собственно пекарная камера, вкоторой происходят преобразования заготовок теста в готовое изделие. Задачаавтоматического управления пекарной камерой заключается в том, чтобы, учитываясвойства исходного продукта—теста и особенности механизма процесса выпечки,устанавливать такие параметры среды и условия тепло- и влагообмена в пекарнойкамере, при которых процесс выпечки будет протекать наиболее экономично, аготовый продукт будет иметь высокое качество и соответствовать требованиямГОСТа [19].
 Согласно теориитепло- и массообмена, главным физическим фактором, определяющим процессвыпечки, является процесс переноса теплоты и влаги в тестовой заготовке,который, как указывает А. С. Гинзбург, происходит в два периода.
В первый периодвыпечки влага в основном в виде жидкости, перемещается от поверхностных слоев кцентральным. В этот период за счет перемещения влаги внутрь образуется коркаизделия. Наряду с этим в первом периоде протекают физико-химические процессы, врезультате которых влага в тесте-мякише связывается клейстеризующимсякрахмалом.
Во второмпериоде выпечки происходит дальнейшее формирование корки выпекаемого изделия засчет интенсивного испарения влаги при углублении поверхности испарения. В этотпериод влажность мякиша изделия почти не изменяется, а испарение происходитглавным образом на поверхности испарения, являющейся границей корки и мякиша.
В соответствиис представлениями о различных периодах выпечки в пекарной камере различаютследующие зоны увлажнения: первого периода выпечки, второго периода выпечки.
В зонеувлажнения должны быть созданы условия для обеспечения интенсивного влагообменамежду окружающей средой н поверхностью изделия, в результате которогопроисходит поглощение пара массой теста и конденсация его на поверхноститестовой заготовки. Поэтому основным условием, которое должно быть создано в зонеувлажнения, является высокое насыщение среды паром при минимальной вентиляциикамеры и пониженной интенсивности теплообмена, чтобы достичь здесьотносительной влажности порядка 70—80%. Чем ниже интенсивность теплообмена взоне увлажнения, тем медленнее температура поверхности изделия достигаетзначения точки росы и тем длительнее период конденсации. Это позволяет снизитьнасыщение среды паром при сохранении хорошего качества изделий.
После зоныувлажнения интенсивность теплообмена в пекарной камере резко повышается с цельюпередачи изделию требуемого количества теплоты. На увлажненной поверхностиизделия происходит клейстеризация крахмала при избытке влаги, в результате чегообразуется слой крахмального клейстера, закрывающий поры и подготавливающийповерхность изделия для последующей тепловой обработки. Повышение температурыэтого слоя обеспечивает оформление корки, что является одним из основныхкачественных требований, определяющих внешний вид изделия.
В первый периодвыпечки важно передать изделию большее количество теплоты также и дляобразования необходимой структуры изделия. В этот период происходитзначительный подъем изделия, обусловленный расширением нагревающихся газов вмассе теста и зависящий от интенсивности прогрева изделия. При интенсивном прогревеповерхностных слоев в выпекаемом изделии создается значительный температурныйградиент, обусловливающий соответствующее повышение эффектатермовлагопроводности и увеличение количества влаги, перемещающейся внутрьизделия, благодаря чему уменьшается упек.
Во второйпериод выпечки происходит интенсивное углубление зоны испарения и дальнейшееобразование корки за счет влагоотдачи в окружающую среду. При углублении зоныиспарения прогрев внутренней части изделия обусловливаетсятемпературопроводностью мякиша и температурным градиентом, величина которогоопределяется постоянной температурой поверхности испарения и снижениемтемпературного поля по направлению к центру. В этот период интенсивностьтеплообмена резко снижается, так как менее интенсивный теплообмен мало влияетна прогрев изделия, но зато снижает потери теплоты от упека, которые достигают общегорасхода теплоты на выпечку. Снижение интенсивности теплообмена во второй периодвыпечки достигается сведением до минимума излучения на открытую поверхностьизделия или полным его исключением с одновременным уменьшением температурысреды пекарной камеры.
Таким образом,качество выпекаемой продукции и расход тепла на выпечку определяется временемее пребывания в каждой зоне и режимными параметрами внутри пекарной камеры.
Рассмотрим порядок включения ивыключения всех механизмов печи. После подключения механизмов печи к питающейсети необходимо выставить требуемое задание температур по зонам пекарной камерыи включить электронагреватели. При достижении температур в зонах пекарнойкамеры до заданных следует включить конвейер пода печи и установить необходимоевремя выпечки, обеспечить подачу пара в зону пароувлажнения. Температуры взонах пекарной камеры и продолжительность выпечки выставляется в соответствии стехнологическими требованиями на изделие. После этих процедур можно загружатьконвейер тестовыми заготовками, для транспортирования их в пекарную камеру.Удаление паро-воздушной среды из пекарной камеры может осуществлятьсяпринудительно при помощи вентилятора или за счет естественной тяги. При выходеиз пекарной камеры первых выпеченных изделий необходимо включить механизм опрыскивания
готовой продукции и механизм очистки ленты.После последних
действий все механизмы печи включеныи в таком состоянии печь работает длительное время (несколько часов, смена ит.д.).
Отключение механизмов печиосуществляется в следующей последовательности. Сначала отключаютсяэлектронагреватели, а при снижении температуры следует отключить все оставшиесямеханизмы печи.
При работе установки могут возникнутьаварийные режимы: неисправность привода конвейера, неисправностьэлектронагревателей. Такие аварийные режимы могут возникать при механическихповреждениях кинематической цепи и при срабатывании защит. При неисправности приводаконвейера необходимо сразу же отключить электронагреватели, чтобы избежатьсгорания выпекаемой продукции, а также отключить все механизмы печи. Принеисправности электронагревателей необходимо сразу же прекратить загрузкутестовых заготовок. При возникновении какой-либо другой неисправности нужноотключить печь, устранить неисправность и включить печь по алгоритму,описанному выше.
 
8.2 Разработка алгоритма управления
Составим алгоритм управленияхлебопекарной печью (рис. 8.1).
В блоках 1, 2, 3 производится подачанапряжения на пуско-регулирующую аппаратуру механизмов печи иэлектронагреватели (F1=1, F2=1, F3=1, F4=1, F5=1), задание температурного режимапо зонам печи (Т=Т1) и включение электронагревателей (SB21=1).
В блоке 5 происходит выдержка временинагрева печи до заданной температуры Т1.
В блоках 6, 7 происходит включениепривода конвейера (SB17=1), заданноговремени выпечки (t=t1) и включение вентилятора (SB18=1).
В блоке 8 происходит выдержка временидо появления первых выпекаемых изделий (И=1).
В блоках 9 происходит включениемеханизма опрыскивания готовой продукции (SB19=1) и механизма очистки ленты (SB20=1).
В блоке 10 происходит выпечкахлебобулочных изделий до конца рабочего дня (смены и т.д.).
Блоки 10, 12, 13, 14 описываютотключение механизмов печи: очистки ленты (/>), опрыскивания готовой продукции (/>), вентилятора (/>), конвейера (/>) и электронагревателей (/>).
 
8.3 Разработка функциональной илогической схемы
8.3.1 Разработка функциональной схемы
Функциональная схема автоматизациихлебопекарной печи А2 – ХПА – 25 представлена в графической части проекта (лист7). На схеме приняты обозначения технологического оборудования:
1 – ленточный конвейер;
2 – щетка очистки ленты;
3, 4, 5, 6 – электронагревателитемпературных зон печи;
7 – вентилятор;
8 – механизм опрыскивания готовойпродукции.
Схемой предусмотрены четыре контураконтроля и регулирования температуры по зонам пекарной камеры, а такжекоррекция времени выпечки по температуре во второй зоне. Стабилизация давленияпара, подаваемого в зону увлажнения, осуществляется регулятором прямогодействия. В качестве измерительных приборов температуры применены термометрысопротивления (ТЕ). Устройством, формирующим законы регулирования температуры,является программируемый контроллер (ПК). В ПК сводятся сигналы заданиятемпературы (ТН) и сигналы обратных связей (ТЕ). Выходы регуляторов температурыподключены к управляющим тиристорных регуляторов напряжения (NC), которые изменяют выходноенапряжение в пределах 0…380В. При изменении напряжения, прикладываемого кэлектронагревателям, изменяется количество выделяемого тепла и следовательнотемпературы в пекарной камере.
Контур регулирования температуры внулевой зоне пекарной камеры построен следующим образом: термометрсопротивления (1-1), температурный модуль ПК (1-2), модуль ПИД регулирования ПК(1-4), регулятор напряжения (1-5) и электронагревателей 0-ой зоны (3).
Задание температуры происходит спотенциометра (1-6), расположенного на пульте управления. Контроль температурыосуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя (1-3),расположенного на пульте управления и соединенными с аналоговым выходныммодулем ПК. Температурный модуль ПК (1-2) производит преобразование значениясопротивления терморезистора в унифицированный сигнал 0…10 В, прропорциональныйтемпературе.
Аналогичным образом построены контурарегулирования температуры 1-ой, 2-ой и 3-ей температурных зон пекарной камеры.
Как говорилось выше, в схеме автоматизациипредусмотрена коррекция скорости движения конвейера печи по температуре вовторой зоне пекарной камеры.
Подолжительность выпечки задается спотенциометра (3-9), расположенного на пульте управления. Закон коррекцииреализуется на ПК с помощью стандартного ПИД регулятора (3-7), реализующегопропорциональный закон регулирования (постоянная времени дифференцированияпринята равной нулю, а постоянная времени интегрирования – бесконечности). Насуммирующий вход преобразователя частоты (3-8) заведены сигнал заданияпродолжительности выпечки и сигнал с выхода регулятора температуры (3-7). Такимобразом, скорость движения конвейера пропорциональна сигналу задания итемпературе во 2-ой зоне пекарной камеры.
Заданный алгоритм включения ивыключения электроприемников осуществляет логическая схема NY, реализованная с помощьюпрограммируемого контроллера. Схема также обеспечивает сигнализацию о включении(выключении) электроприемников (НА), аварийную звуковую сигнализацию (А) иместное освещение в пекарной камере. Сигналы о включении (выключении)электроприемников поступают на входы ПК с кнопок управления (НА), расположенныхна пульте управления. Эти сигналы обрабатываются по программе, заложенной в ПК,и преобразуются в выходные сигналы, поступающие на магнитные пускатели (NS), регуляторы напряжения (NC) и преобразователь частоты (NC). Логическая схема устройствауправления будет составлена позже.
8.3.2 Разработка логической схемы
Логическая схема автоматизации должнаобеспечит заданный алгоритм включения и выключения электроприемников.Логическая схема имеет входные, выходные и промежуточные сигналы., поступающиеиз пульта управления, а также кнопок управления, расположенных в начале и концепекарной камеры.
Т. к. входные сигналы поступают откнопок, то назовем эти сигналы также, как и соответствующие кнопки.
К входным сигналам относятся:
SB16 – «ПУСК».При поступлении этогосигнала должна собираться схема управления;
/> – «СТОП». При поступлении этого сигнала в логическуюсхему должны отключиться электронагреватели и все механизмы печи;
/> – «КОНВЕЙЕР ВЫКЛ.». При поступлении этих сигналов всхему управления отключается привод конвейера;
SB17 – «КОНВЕЙЕР ВКЛ». Сигнал включаетпривод конвейера;
SB18 – «ВЕНТИЛЯТОР ВКЛ.». Припоступлении сигнала в схему управления включается вентилятор отсосапаро-воздушной среды из зоны пароувлажнения;
/> – «ВЕНТИЛЯТОР ВЫКЛ.». Сигнал выключает вентилятор;
QF1 – Сигнал, снимаемый савтоматического выключателя QF1,подключающего электродвигатель вентилятора к сети;
SB19 – «ЩЁТКА ВКЛ.» При подаче этогосигнала в схема управления включается механизм очистки ленты;
/> – «ЩЁТКА ВЫКЛ.»;
QF2 – Сигнал, снимаемый савтоматического выключателя QF2,подключающего электродвигатель механизма очистки ленты к сети;
SB20 – «ОПРЫСКИВАНИЕ ВКЛ.». При подачеэтого сигнала в схему управления включается механизм опрыскивания готовойпродукции;
/> – «ОПРЫСКИВАНИЕ ВЫКЛ.»;
QF3 – Сигнал, снимаемый савтоматического выключателя QF3,подключающего электродвигатель механизма очистки готовой продукции к сети;
SB3, SB4 – «ОСВЕЩЕНИЕ». Сигналы включают местное освещение внутрипекарной камеры;
SB1 – «НАГРЕВАТЕЛИ ВКЛ.» Припоступлении этого сигнала в схему управления включаются электронагреватели;
/> – «НАГРЕВАТЕЛИ ВЫКЛ.»;
/> – «СИГНАЛИЗАЦИЯ ВЫКЛ.». При поступлении этого сигналав схему управления снимается сигнал звуковой сигнализации;
Выходные сигналы:
КМ1 – Управление приводом ленточногоконвейера и сигнализации о включении/выключении;
КМ2 – Управление приводом вентилятораи сигнализации о включении/выключении;
КМ3 – Управление приводом механизмаочистки ленты и сигнализации о включении/выключении;
КМ4 – Управление приводом механизмаопрыскивания готовой продукции и сигнализации о включении/выключении;
КМ5 – Управление электронагревателямии сигнализации о включении/выключении;
НА – Включение/выключение звуковойсигнализации;
EL1, EL2 – Управление местным освещением в пекарной камере;
НL1 …HL6 – Сигнализация о работе механизмовпечи и электронагревателей.
Промежуточные сигналы:
/> – Сигнал аварийного останова исигнализация об останове;
КМ6 – Подготовка и съем звуковойсигнализации;
По алгоритму работы печи составимлогические функции для промежуточных и выходных сигналов:
/> 
HL1=K1;
/>
HL2=KM1;
/>  (8.1)
HL3=KM2;
/>
HL4=KM3;
/> 
HL5=KM4;
/>
HL6=KM5;
/>
/>

8.4 Выбор аппаратов
8.4.1 Выбор программируемогоконтроллера и составление программы
По функциональной схеме и логическимфункциям определим количество требуемых входов и выходов для ПК (табл. 8.1):
Таблица 8.1.Дискретные входы 24В 16 Дискретные выходы 24В 11 Аналоговые входы 0 – 10В 4 Аналоговые входы Pt100 4 Аналоговые выходы 0 – 10В 9
Выбираем для реализации схемыавтоматизации программируемый контроллер фирмы SIEMENS типа SIMATIC S5.
Для входных сигналов выбираем из [20]дискретный входной модуль 6ES5430 – 7LA11 на 32 цифровых входа 24 Впостоянного тока. Технические данные этого модуля приведены в таблице 8.2:
Таблица 8.2Количество входов 32
Уровни входных сигналов:
логическая единица, В
логический ноль, В
13…30
-30…5 Входной ток, мА 8.5 Потребляемая мощность, Вт 6.5
Время переключения, мс:
Из «0» в «1»
Из «0» в «1»
1.4…5
1.4…5
Для дискретных выходных сигналоввыбираем из [20] дискретный выходной модуль (6ES5 454 – 7LA11)на 16 цифровых выходов 24 В постоянного тока. Технические данные этого модуляприведены в таблице 8.3:
Таблица 8.3.Количество выходов 16 Напряжение нагрузки L1, В 24 Выходной ток для сигнала «1», А 2 Мощность индуктивной нагрузки, Вт 10
Частота переключения, Гц:
При индуктивной нагрузке
При омической нагрузке
Max 0.27
Max 100 Потребляемая мощность, Вт 20
Для аналоговых входных сигналоввыбираем из [20] аналоговый входной модуль 6ES5 465 – 7LA11,к которому можно подключать как измеритель температуры, так и унифицированныеаналоговые сигналы 0 … 10 В. Технические данные модуля приведены в таблице 8.4.
Таблица 8.4.Диапазон входных значений Pt100, 0/-20мА, ±5В, ±10В Количество входов 16 Способ подключения
Двухпроводное
для Pt100 четырехпроводное Представление измеренного значения 12 бит+знак Принцип измерения Интегрирующий Принцип преобразования напряжение→время Время интегрирования 20 мс при 50 Гц
Время сканирования для
-  8 входных значений
-  16 входных значений
0.48 с при 50 Гц
0.96 с при 50 Гц
Для аналоговых выходных сигналоввыберем два аналоговых модуля 6ES5470 – 7LВ11 на 8 выходов +/- 10 В спотенциальной развязкой. Технические данные модуля приведены в таблице:
Таблица 8.5.Количество выходов 8 Диапазон выходных значений ±10В, 0…20 мА Цифровое представление аналогового значения 11 бит + знак Время преобразования, мс 1 Линейность преобразования в номинальном диапазоне +/- 2.5%, ±3 точки Потребляемая мощность, Вт 8.5
Схемы подключения управляющихсигналов к модулям контроллера представлены в графической части дипломногопроекта (лист 7). Каждому входу и выходу в модулях ПК соответствует свой адрес.Адреса входов и выходов приведены в таблице 8.6:
Таблица 8.6.Цифровые сигналы Аналоговые сигналы Вход-ные Адреса Выход-ные Адреса Вход-ные Адреса Выход-ные Адреса
/> E 1.0 HL1 A 1.0 TE (1-1) E 4 NC(1-5) A 3 SB16 E 1.1 KM1 A 1.1 TE (2-1) E 5 NC(2-5) A4
/> E 1.2 HL2 A 1.2 TE (3-1) E 6 NC(3-5) A 5
/> E 1.3 KM2 A 1.3 TE (4-1) E 7 NC(3-8) A 6
/> E 1.4 HL3 A 1.4 TH (1-6) E 8 NC(4-5) A 7
/> E 1.5 KM3 A 1.5 TH (2-6) E 9 TI(1-3) A 8
/> E 1.6 HL4 A 1.6 TH (3-6) E 10 TI(2-3) A 9
/> E 1.7 KM4 A 1.7 TH (4-6) E 11 TI(3-3) A 10
/> E 2.0 HL5 A 2.0 TI(4-3) A 11 QF2 E 2.1 KM5 A 2.1
/> E 2.2 HL6 A 2.2 SB19 E 2.3 HA A 2.3 QF3 E 2.4
/> E 2.5 SB20 E 2.6
/> E 2.7 SB21 E 3.0
/> E 3.1
Запрограммируем логические уравнения(8.1) на языке программирования STEP5. Составим программу для уравнений:
/>,
HL1=K1,
UNC
)
=
=
E
E
M
M
M
1.0
1.1
1.1
1.0
1.0
Для уравнений: />,
HL2=KM1,
U
UN
UN
UN (
)
=
=
=
M
E
E
E
E
M
M
A
A
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.2
1.1
1.1
1.2
Для уравнений: />,
HL3=KM2,
U
U
N
U (
)
=
=
=
M
E
E
E
M
M
A
A
1.1
1.7
1.6
2.0
1.2
1.2
1.3
1.4
Для уравнений: />
HL4=KM3,
U
UN
U (
)
=
=
=
E
E
M
E
M
M
A
A
2.1
2.2
1.0
2.3
1.4
1.4
1.5
1.6
Для уравнений: /> 
HL5=KM4,
U
U
N
U (
)
=
=
=
M
E
E
E
M
M
A
A
1.0
2.5
2.4
2.6
1.5
1.5
1.7
2.0
Для уравнений: />
HL6=KM5,