Разработка электропривода бытового полотера

В настоящее время все более широко распространяется электропривод во все области деятельности человека. Теперь бытовые приборы с электроприводом широко распространены и в быту: пылесосы, стиральные машины, кофемолки, миксеры и т. п.

Еще несколько лет назад основной задачей электробытовых приборов было облегчение труда и уменьшения времени на выполнение работы. Теперь же все более актуальной стоит проблема обеспечения комфортности и многофункциональности бытовой техники. Не на последнем месте стоит и ее дизайн.

Возьмем, например, современную стиральную машину и стиральную машину, которая выпускалась десять лет назад. Разница заметна. Современные стиральные машины имеют кроме собственно привода еще и сложную систему управления (обычно микропроцессорную), что позволяет реализовать дополнительные возможности: отжим, сушка, дозирование СМС и т. п.

Но кроме всего прочего стоит вопрос об уборке помещений. Если для ковровых покрытий и некоторых других синтетических покрытий подойдет пылесос, то что же делать с паркетными полами. Уход за паркетным полом требует много труда и времени. И вот здесь поможет полотер. Полотер предназначен для натирания паркетных полов воскосодержащими мастиками, от которых паркет приобретает характерный блеск. И если в жилых помещениях натирание паркета производится не так уж и часто, но есть же помещения и больше и многолюднее, например, музеи, гостиницы.

Таким образом, целью данного дипломного проекта поставим разработку полотера и постараемся сделать его как можно более многофункциональным и удобным в эксплуатации.

1. Технологическая часть

1.1 Анализ технологического процесса

В последнее время широкое распространение получает автоматизированный электропривод в быту. Усовершенствование элементной базы позволило создавать высококачественные, многофункциональные и недорогие электропривода. Теперь наряду с пылесосами, стиральными машинами, появилось много техники, доступной в быту. Это и кухонные комбайны, автоматические стиральные машины, швейные машины с электроприводом и много другое. Одним из таких устройств является полотер.

Полотер применяется не только при производстве паркетных работ, но и в процессе ухода за паркетными полами. С помощью полотера производится натирание нелакированного паркета мастиками. Натирание паркета является заключительным этапом укладки паркетного пола. После натирания паркет приобретает характерный блеск и более четко проявляется текстура дерева. Через некоторое время паркет теряет блеск. Поэтому периодически паркетный пол обновляется. Обновление заключается в повторном натирании пола мастиками.

Лакированный паркет приобретает блеск после покрытия лаком. Однако через некоторое время поверхность лака становится матовой из-за мелких царапин. Для того чтобы вернуть паркету прежний блеск производится натирание лакированного паркета воскосодержащими мастиками.

Мастики отличаются по своему составу. Для натирания нелакированного паркета применяются в основном водные мастики, для лакированного паркета — восковые. При этом коэффициент сцепления щетки с полом получается различным. Наибольшее сопротивление будет при натирании нелакированного паркета водными мастиками. Кроме того, в процессе производства работы коэффициент сцепления также изменяется.

1.2 Описание промышленной установки

Промышленностью выпускалось и выпускается несколько типов бытовых полотеров. Одним из первых типов полотеров был полотер ДХ-24. Этот тип долго применялся при паркетных работах. Он имел три щетки, которые приводились в движение коллекторным электродвигателем с помощью ременной передачи.

Позже, когда узлы бытовой техники стали унифицировать, появились новые типы полотеров. Приведем параметры четырех наиболее распространенных типов (таблица 1).

Таблица 1 — Основные параметры промышленных бытовых полотеров

Все полотеры имели три щетки, приводимые в движение универсальным коллекторным двигателем через ременную передачу. Некоторые типы имели, кроме того, пылесборники. В полотерах предусматривалась установка вместо щеток полировальных кругов, а так же легкая и простая смена щеток.

Обычно полотеры имели либо литой алюминиевый корпус, либо корпус из ударопрочных пластмасс. По периметру корпуса имелся амортизатор из пористой резины или подобного материала, который предохранял от повреждения плинтусы и мебель. Полотеры имели штангу, которая имела ручки и свободно поворачивалась в вертикальной плоскости. Это позволяло обеспечить натирание пола даже под мебелью.

На рис. 1 представлен выпускаемый промышленностью полотер ЭПМ-2. На этом рисунке цифрами обозначено:

1 — фланец;

2 — обойма;

3 — вал якоря;

4 — шкив;

5, 13 — пружинные шайбы;

6, 11- гайки;

7 — днище;

8 — сальник;

9, 22. 34 — шарикоподшипники;

10, 12, 19. 26, 40, 46, 50. 60 — винты;

14 — щетина хребтовая;

15 — колодка щетки;

16 — амортизатор;

17 — приводной ремень;

18 — замок щеткодержателя натирочных щеток;

20 — корпус;

21 — щеткодержатель;

23 — ось подшипника;

24 — кронштейн;

25, 35 — колпачки;

27 — пружина;

28 — щеткодержатель электрощетки;

29 — контакт электрощетки;

30 — электрощетка;

31 — крыльчатка;

32, 37, 41 — втулки;

33 — сальник;

36 — соединительный шнур;

38 — штепсельная вилка;

39 — крючок;

42 — резиновая рукоятка;

43 — прокладка;

44 — планка;

45 — выключатель;

47 — ручкодержатель;

48 — штанга;

49 — вилка рычага управления;

57 — защелка;

52 — крышка;

53 — якорь;

54 — катушка статора;

55 — прокладка;

56 — статор;

57 — электродвигатель;

55 — чехол;

59 — коллектор.

Рис. 1 — Электрополотер ЭПМ-2

1.3 Анализ взаимодействия оператор — промышленная установка

Взаимодействия оператора с установкой промышленного образца как такового не было. Оператор с помощью сетевого переключателя подавал напряжение на установку. Далее его работа заключалась лишь в осуществлении движения установки по нужному маршруту и контроля за качеством работы.

В разрабатываемой установке осуществим взаимодействие оператора с установкой в полном смысле слова. На каждое действие оператора, установка должна отвечать хотя бы зажиганием какого-нибудь индикатора.

На передней панели вынесены сетевой выключатель, индикатор подачи питания, индикатор работы щетки, индикатор аварии, регулятор скорости вращения щетки (совмещен с выключателем щетки и сбросом защиты), регулятор подачи мастики и индикатор подачи мастики. Система управления построена таким образом, что оператор с панели управления ни при каких условиях не вызовет аварийного режима.

Порядок действий оператора при работе с машиной:

Включить штепсельную вилку в розетку электропитания (~220 В, 50 Гц);

Включить сетевой выключатель «Сеть» («Power»). При этом должен загореться соответствующий индикатор;

Повернуть регулятор скорости щетки и выставить нужную скорость.

Аналогичным образом приводится в работу система нанесения мастики (исключая первый пункт). Для выключения все действия провести в обратном порядке.

Если в процессе проведения работы привод остановился и загорелся индикатор «Авария» («Fault»), перевести регулятор скорости в нулевое положение, после чего вновь запустить щетку. Если после этого опять загорается аварийный индикатор, а также в случае, когда после включения сетевого выключателя или перевода привода щетки в режим работы не загораются соответствующие индикаторы, необходимо обратиться к специалисту, обслуживающему данную машину.

Из этого описания видно, что система управления построена таким образом, что на каждое действие оператора она отвечает соответствующим индикатором. Поэтому оператор всегда визуально может подтверждать свои действия.

1.4 Анализ кинематической схемы, определение параметров и составление расчетной схемы механической части электропривода

В данном устройстве предполагается применение безредукторного привода щетки с применением высокомоментного низкоскоростного двигателя. Двигатель имеет торцевое расположение ротора. Щетка жестко насажана на вал двигателя.

Так как в данной установке нет механических передач, в которых существуют зазоры и упругие деформации, а ротор двигателя жестко связан с рабочим органом (щеткой) то эту механическую систему можно представить с очень высокой степенью точности как одномассовую. Это позволяет существенно упростить расчет двигателя и моделирование электромеханических процессов электропривода.

2. Выбор систем электропривода и автоматизации

2.1 Литературный обзор по теме дипломного проекта

В выпускаемых промышленностью приборах бытовой техники, в которых необходимо регулировать частоту вращения, применяются либо асинхронные конденсаторные многоскоростные двигатели с переключением обмоток, либо коллекторные двигатели с тиристорными или транзисторными регуляторами.

Вентильные двигатели (ВД) выгодно отличаются от многоскоростных асинхронных двигателей примерно в 3−4 раза меньшим весом и существенно более высоким КПД, а также имеют неоспоримые преимущества перед регулируемыми коллекторными двигателями, в особенности при высоких частотах вращения. Отсутствие у ВД коллектора и обмотки возбуждения позволяет при замене коллекторных двигателей получить экономию до 50% меди, исключить применение угольных щеток, упростить технологический процесс за счет исключения штамповки и набора роторных пластин и магнитопровода. Кроме того, отпадает необходимость в производстве обмотки ротора, коллектора, пайки концов обмоток к коллекторным пластинам, щеткодержателей, притирки щеток и т. п.

ВД позволяют расширить диапазон частоты вращения и мощности высокооборотных двигателей, поскольку снимаются ограничения по прочности коллектора и коммутации, ВД имеют на 10−15% более высокий КПД за счет исключения потерь на возбуждение, отличаются более высокой надежностью и сроком службы. Уровень шума, вибраций и электромагнитных помех у ВД существенно ниже.

В 1996 году было разработано несколько опытных образцов ВД для бытовой техники (для автоматические стиральные машины, кухонного комбайна, электромясорубки, электропылесоса с регулированием частоты вращения двигателя, деревообрабатывающего станка, швейной машинки). Большинство приборов питалось от сети переменного напряжения 220 В, некоторые, например швейная машинка, имела питание постоянным напряжением 24 В. Потребляемая мощность электродвигателя колебалась от 30 до 1000 Вт при КПД (отношение полезной мощности на валу к потребляемой мощности на входе коммутатора) 55−85% в зависимости от режима работы двигателя. При этом максимальная частота вращения двигателя в некоторых приборах достигала 20 000 об/мин. /1/.

2.2 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу и системе автоматизации промышленной установки

Главным требованием к разрабатываемому электроприводу является обеспечение режима работы в пределах норм технологического процесса. К этому относится обеспечение крутящего момента на валу двигателя, регулирование скорости (минимальное и максимальное значение). В разрабатываемом агрегате не требуется автоматизация процесса, так как непосредственно установкой управляет оператор и корректирует скорость вращения щетки исходя из своего опыта.

Кроме того, к электроприводу предъявляется и ряд других требований. Эти требования трудно расставить в порядке их важности, поэтому просто перечислим их:

минимальная стоимость при максимальных возможностях и универсальности (противоречивые требования, поэтому требуется компромиссное решение);

минимальная стоимость и затраты времени при обслуживании и текущем ремонте;

удобство в эксплуатации;

удобство наладки;

безопасность при работе на установке, а также безопасность при обслуживании для операторов и обслуживающего персонала;

минимальные масса и габариты;

надежность и безотказность в работе (обеспечивается с помощью защит и блокировок).

Теперь определимся с автоматизацией установки. Автоматизировать полностью работу полотера не имеет смысла. Наиболее целесообразно автоматизировать все, кроме передвижения. Это связано не только со сложностью технической реализации, а, прежде всего, с трудностью программного обеспечения. Высокая вероятность появления на пути следования полотера препятствий требует от системы управления принятия адекватного решения (остановиться или объехать препятствие, если объехать, то по какой траектории и т. п.).

Таким образом, автоматизируем в полотере подачу мастики. При минимальной скорости вращения щеток наносится мастика. При этом в зависимости от скорости движения полотера необходимо подавать соответствующее количество мастики. Тогда система автоматизации нанесения мастики должна содержать в себе датчик скорости движения полотера, система обработки сигналов от датчика скорости и с пульта управления (выставляется удельная скорость подачи мастики), исполняющее устройство (клапан).

2.3 Расчет нагрузок механизмов установки и построение нагрузочной диаграммы

Для расчета нагрузок механизма воспользуемся формулами, приведенными в /2/.

Все расчеты приведем для наиболее тяжелого режима работы. Это полирование с максимальным усилием нажима и максимальной скоростью вращения рабочего органа.

Для шлифовальных и полировальных станков рекомендуемое усилие нажима рабочего органа на поверхность лежит в пределах F=(50−100) Н. Тогда усилие полирования

где (1)

— коэффициент сцепления щетки с поверхностью.

Взяв значение коэффициента =1 (табл. 144, /2/) и подставив численные значения в (1) получим:

.

Максимальная скорость полирования на внешней периферии щетки должна быть не больше 12 м/с. Тогда максимальная частота вращения щетки составит:

(2)

гдеокружная скорость щетки в м/с;

Rрадиус щетки.

Подставив численные значения получим:

Максимальный крутящий момент составит:

(3)

Дополнительно оговорим некоторые особенности работы электропривода.

Электропривод нереверсивный и работает практически с постоянной нагрузкой (медленно изменяющейся нагрузкой). Изменение скорости в процессе работы механизма не требуется. Таким образом, видно, что привод работает в режиме S1.

Исходя из вышеперечисленных замечаний, нагрузочная диаграмма будет представлять собой прямую линию, параллельную оси абсцисс. Для большей наглядности определим область работы электропривода в системе координат скорость-момент.

Минимальная скорость щетки 7 м/с, тогда угловая скорость:

Минимальный момент составит примерно половину максимального момента, то есть около 15 Н· м. Тогда область работы привода в статике будет расположена так, как представлено на рис. 4.

Область работы электропривода.

2.4 Предварительный расчет мощности двигателей

Необходимая мощность двигателя определяется по формуле

(4)

гдеКПД механизма привода (при приводе непосредствен-но от электродвигателя).

Подставив численные значения в (4), получим необходимую мощность двигателя

.

2.5 Предварительный выбор двигателя, способа управления и комплектного преобразователя

Для полотера завод «Оптрон» разработал специализированный двигатель, который предполагается устанавливать в бытовой полоуборочной технике. Этот двигатель низкоскоростной, что позволяет отказаться от использования редуктора, как связующего звена между двигателем и рабочим органом. Это ведет, прежде всего, к повышению КПД электропривода, а так же удешевляет его. Кроме того, снижается уровень шума при работе установки.

Параметры двигателя:

Номинальная мощность, ВтР = 1500

Номинальный момент на валу, Н· мМн = 37;

Номинальный ток якоря, АIн = 8;

Номинальная скорость вращения, об/минn = 400;

Номинальный КПД, %;

Момент инерции ротора, кг· м2J = 0,12;

Сопротивление фазы якоря, ОмR = 3;

Индуктивность фазы якоря, ОмL = 0,009.

Для разрабатываемой установки систему управления и преобразователь спроектируем самостоятельно.

Основу коммутатора составляет микросхема MC33035 фирмы MOTOROLA. В этой микросхеме реализован полный алгоритм управления бесконтактным двигателем. На входы микросхемы подаются сигналы с датчика положения ротора, сигнал задания скорости, сигналы выбора режима коммутации (600/1200), выбора направления вращения, разрешения на запуск двигателя. Кроме того, микросхема имеет входы для подключения датчика тока (необходим), датчика скорости (по усмотрению), внешней RC-цепочки для задания частоты ШИМ. Возможно использование регулятора скорости (подключаются только внешние цепи задания параметров, усилитель реализован в микросхеме). Возможно торможение двигателя постоянным током подачей на вход микросхемы сигнала.

В микросхеме имеется встроенная токовая защита. При ее срабатывании блокируется подача импульсов управления на выходы микросхемы. Однако токовая защита не имеет триггерной защелки, что позволяет схеме вернуться в рабочее состояние при бросках тока, и позволяет сделать внешнюю защиту от перегрузок. В микросхеме так же реализована защита от перегрева кристалла.

Выберем частоту ШИМ 20 кГц. Тогда по диаграммам /6, Figure 1/ выберем емкость конденсатора 1 нФ и сопротивление резистора 70 кОм.

Значение напряжения задания скорости лежит в пределах 0 — 4 В /6, Electrical characteristics/. При этих напряжениях задания скорость регулируется от минимального до максимального значения. Выберем общее сопротивление потенциометра регулирования скорости 100 кОм. Необходимо ограничить минимальное и максимальное задание скорости задание скорости. Для этого кроме потенциометра поставим ограничивающие резисторы (см. принципиальную схему коммутатора). Тогда сопротивление R8 рассчитаем следующим образом:

(5)

Рассчитаем напряжение задания, соответствующее минимальной скорости двигателя.

(6)

Тогда сопротивление резистора R10:

.(7)

Примем сопротивление R10 28 кОм. Тогда сопротивление переменного резистора R9 будет равно:

Примем стандартное значение 51 кОм.

Сигналы с выхода микросхема MC33035 нельзя использовать для управления силовыми ключами. Для усиления сигналов управления применяются специализированные микросхемы. В данном случае наиболее подходящей является микросхема IR2110 фирмы International Rectifier. У этой микросхемы есть одно очень важное в нашем случае преимущество: внутри микросхемы реализована потенциальная развязка между сигналами системы управления и сигналами управления силовыми транзисторами. Микросхема предназначена для управления двумя силовыми ключами одного плеча инвертора и обеспечивает выходной ток управления транзисторами до 2 А. Микросхема имеет входы для подачи сигналов управления ключами и вход сигнала блокирования импульсов. При подаче на вход блокирования импульсов (Shutdown) на выход микросхемы импульсы не подаются /7/.

Все номиналы элементов рекомендованы фирмой-изготовителем и рассчитываться не будут.

Для обеспечения безопасности работы на установке, а так же защиты установки от аварийных режимов в схеме предусмотрен ряд защит и блокировок. Это:

защита от перегрузок;

блокировка запуска двигателя при поднятом кожухе;

блокировка запуска двигателя, если ручек не касается рука оператора.

Все защиты и блокировки реализованы на интегральных элементах отечественных производителей (завод «Интеграл»). Это микросхемы К561ТМ2 и К561ЛА7.

3. Технико-экономическое обоснование рациональной схемы электропривода

Произведем технико-экономическое сравнение двух систем электропривода:

преобразователь частоты — асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором.

бесконтактный двигатель постоянного тока.

Выберем комплектный с электропривод ЭКТ с двигателем 4А80S8У3 мощностью 1,5 кВт.

В настоящее время в рыночных условиях для оценки эффективности инвестиций используются следующие методы:

оценка внутренней рентабельности:

определение срока окупаемости:

определение чистой дисконтированной стоимости.

Для применения этих методов необходима информация об изменении прибыли, которой не располагаем. Поэтому воспользуемся формулой приведенных затрат, которая является модификацией метода срока окупаемости, а в качестве коэффициента эффективности примем среднюю рентабельность по стране.

Годовые приведенные затраты

где К — капитальные вложения, руб.;

С — эксплуатационные годовые расходы, руб.;

ЕН=0,15 — нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений.

Капитальные вложения

где КОБ. ЭП — сметная стоимость электропривода;

КПР — стоимость пуско-регулирующей аппаратуры: если она не входит в комплектный электропривод;

КОБ.МЕХ — сметная стоимость рабочего механизма без стоимости проектируемого электропривода;

КПЛ — стоимость производственной площади, занимаемой рабочим механизмом и электроприводом;

ККУ — стоимость компенсирующей установки.

При расчете необходимо учитывать только те составляющие, которые имеют различные значения для сравниваемых вариантов.

Расчет капитальных вложений представлен в таблице 2.

Таблица 2 — Расчет капитальных вложений

Годовые эксплуатационные расходы при выборе лучшего варианта электропривода — это суммарные затраты на рабочий механизм и его электропривод, необходимые для эксплуатации механизма в течении года и получения необходимой производительности. Другими словами, это себестоимость эксплуатации механизма. Годовые эксплуатационные расходы по сравниваемым в общем случае сводятся к следующим составляющим:

(8)

где — годовые эксплуатационные расходы по электрической и механической части;

— затраты на электроэнергию, потребляемую электроприводом, включая потери;

— годовые амортизационные отчисления по механической и электрической части рабочего механизма;

— годовые затраты по обслуживанию механической и электрической части.

Механическая часть полотера остается неизменной при обоих вариантах, поэтому необходимо рассчитать только СЭЛ для каждого варианта.

Годовые эксплуатационные расходы по электроприводу полотера складываются из трех составляющих

(9)

где — отчисления от капиталовложений на реновацию, т. е. полное восстановление электропривода;

— затраты на ремонтно-эксплуатационное обслуживание, в том числе капитальный ремонт.

Отчисления на реновацию составляют

(10)

где pi — процент отчислений на реновацию, для электродвигателей до 100 кВт p=9,5%, для преобразователей — 3,5%;

— капитальные вложения в электрооборудование.

руб.

руб.

Полезный расход электроэнергии

(11)

где Траб — длительность работы электропривода в году;

(12)

где Тном — номинальный годовой фонд работы в одну смену, Тном=2014ч.

Тпрост — суммарное время простоя.

ч.

ч.

kз.ср — коэффициент загрузки электродвигателя, kз. ср=0,75.

кВтч.

Потребляемая электроэнергия

;(13)

где ,

дв — коэффициент полезного действия двигателя;

пр — коэффициент полезного действия преобразователя.

Потребляемая электроэнергия

кВтч,

кВтч.

Определим стоимость израсходованной электроэнергии

(14)

где Суэ — стоимость 1 кВтч электроэнергии, Суэ=36 руб.

руб,

руб.

Определим издержки на ремонтно-эксплуатационное обслуживание электропривода. Электрооборудование проходит планово-предупредительные ремонты (ППР), периодичность и объем которых регламентируется системой ППР оборудования и сетей промышленной энергетики.

Затраты на ППР

(15)

где — зарплата ремонтных рабочих;

— стоимость материалов для ремонта;

— цеховые расходы;

— общезаводские расходы.

Для определения составляющих необходимо установить периодичность ремонтного цикла, межремонтного периода и трудоемкость работ по ППР.

Ремонтный цикл Тр — это отрезок времени в годах между двумя капитальными ремонтами. Межремонтный период tр — это отрезок времени в месяцах между двумя текущими ремонтами. Для электродвигателей, работающих в одну смену в сухих помещениях с расчетным коэффициентом спроса kс=0,25 табличные значения Ттабл=12 лет, tтабл=12 мес. Использование машин по времени и мощности учитывается коэффициент по мощности kс. расчетный коэффициент спроса kс следует сравнивать с фактическим.

Фактический коэффициент спроса

(16)

гдеТгод — годовой фонд рабочего времени, Тгод=8760 ч.

Так как kсф не намного отличается от табличного значения kс=0,25, то в продолжительность ремонтного периода вводить поправочный коэффициент не нужно. Все коэффициенты для расчета затрат на обслуживание и ремонт установки с обоими вариантами электрооборудование равны.

Плановая продолжительность ремонтного цикла и межремонтного периода электродвигателя привода.

лет;

мес.

лет;

мес.

Определяем количество капитальных и текущих ремонтов в расчете на 1 год.

;.(17)

;.(18)

Определяем годовую трудоемкость ремонта

нормо-ч;(19)

нормо-ч,(20)

где Ткр, Ттр — трудоемкость капитального и текущего ремонтов соответственно;

ni — количество однотипных аппаратов, составляющих электропривод;

Hкр, Hтр — нормы трудоемкости ремонтов по каждой машине и аппарату электропривода;

kпi — поправочный коэффициент, для электродвигателей.

Нкр1=27 челч;

Нтр1=6 челч;

kп1=1,1;

Тогда

челч;

челч.

Аналогично произведем расчет трудоемкости капитального и текущего ремонтов для преобразователей.

Нкр1=35 челч;

Нтр1=10 челч;

Тогда

челч;

челч.

Кроме ремонта электрооборудования требуется техническое обслуживание.

Определим трудоемкость технического обслуживания электропривода за год. На каждую рабочую смену ежемесячно планируется 10% табличной трудоемкости текущего ремонта электропривода без учета поправочных коэффициентов. Определяем трудоемкость технического обслуживания за год

(21)

Где kсм — количество смен, kсм=1.

челч;

Результаты расчетов трудоемкости сводим в таблицу 3.

Таблица 3 — Расчет трудоемкости ремонтов

Определим заработную плату ремонтного и обслуживающего электротехнического персонала .

руб.,(22)

руб.(23)

где — часовая тарифная ставка рабочего сдельщика и рабочего повременщика;

Ппр — процент премиальных затрат, Ппр=25%;

сс — начисление на зарплату в фонд социального развития, сс=40%;

доп — процент дополнительных доплат, доп=15%…18%;

Ткр, Ттр, Тто — суммарные трудоемкости капитального и текущего ремонтов и технического обслуживания.

Для расчета принимаем часовую ставку IV разряда для работы в механическом цеху

руб;

руб.

В этом случае

руб;

руб.

Стоимость материалов для ремонта электропривода равной 100% от основной зарплаты без учета дополнительных доплат.

руб;(24)

Цеховые расходы принимаем равными 100% от основной зарплаты рабочих

руб;(25)

Суммарные затраты на ремонтно-эксплуатационное обслуживание электроприводов

(26)

руб.

Годовые эксплуатационные расходы

;(27)

руб.;

руб.

Годовые приведенные затраты

руб.;(28)

руб.(29)

Как видно из расчетов приведенные затраты для разных варианотов электрооборудования различаются на руб.(30)

На основании экономического расчета для привода тележки применяем бесконтактный двигатель постоянного тока.

Определим срок окупаемости проектируемого электропривода:

(31)

где С — суммарные затраты (эксплуатационные и капитальные);

К — капиталовложение.

Подставив численные значения года.

4. Проверка выбранных электродвигателей

4.1 Построение нагрузочных диаграмм с учетом регулирования координат электропривода

После выбора двигателя построим для него нагрузочную диаграмму.

Для построения нагрузочной диаграммы необходимо рассчитать момент инерции электропривода и определить динамический момент.

Рассчитаем момент инерции щетки. Радиус диска щетки R=0,3 м, масса щетки m=3 кг. Тогда, принимая щетку как диск, рассчитаем момент инерции щетки:

(32)

Суммарный момент инерции электропривода:

(33)

Максимальный момент двигателя придется ограничивать, так как разрабатываемая установка питается от бытовой сети. В бытовой электросети вся аппаратура рассчитана на максимальный ток нагрузки 10 А. Номинальный ток двигателя составляет 8 А. Ограничим пусковой ток на уровне 10 А. Тогда максимальный момент двигателя составит Мmax=46,25 Н· м. Динамический момент при разгоне двигателя будет равен:

(34)

Динамический момент при торможении двигателя составит:

Время разгона привода до номинальной скорости по предельной нагрузочной диаграмме (примем, что разгоняется равноускоренно)

(35)

Время торможения привода:

Уточненная нагрузочная диаграмма приведена на рис. 5.

Нагрузочная диаграмма.

4.2 Проверка выбранных электродвигателей по перегрузочной способности и нагреву

Так как двигатель работает в режиме S1, то по нагреву двигатель проверять не нужно. За время пуска или торможения температура двигателя практически не изменяется, а в установившемся режиме двигатель работает в пределах номинальных параметров. Таким образом, необходимо проверить двигатель по перегрузочной способности.

Критерием проверки двигателя по перегрузочной способности является неравенство (36).

(36)

Максимальный момент был рассчитан выше и составляет 46,25 Н· м. Максимальный момент, развиваемый двигателем, составляет 90 Н· м. Таким образом, условие проверки двигателя по перегрузочной способности выполняется.

5. Проектирование и расчет силовой схемы электропривода

Силовая схема электропривода включает в себя однофазный мостовой выпрямитель и трехфазный инвертор напряжения на силовых транзисторах с обратными диодами.

Выбор силовых транзисторов.

В качестве силовых ключей используются модули IGBT, в состав которых входят биполярные транзисторы с изолированными затворами и обратные диоды.

Выбор силовых модулей производится в два этапа. На первом этапе производится предварительный выбор силовых ключей. На втором этапе производится расчет мощности потерь во всех режимах работы ключей инвертора.

Предварительный выбор.

Номинальный фазный ток якоря:

А,(37)

Средний ток через силовой ключ:

IН, СР? kЗ· IMAX,(38)

где kЗ — коэффициент запаса, учитывающий перегрузку по току при коммутации ключа, kз =2;

IMAXамплитудное значение тока в плече силовой цепи инвертора;

А,(39)

Выражение (38) примет вид:

IН, СР.? 2.11,2= 22,4 А Рабочее напряжение на силовом ключе:

UРАБ.? UMAX + UПН (40)

Где Umax — амплитудное значение напряжения в силовой цепи инвертора, В;

UПН — коммутационное перенапряжение на ключе, В.

В,(41)

С учетом рекомендаций принимается значения перенапряжения Uп.н.=250 В.

Выражение (40) принимает вид:

Uраб.? 311,1 + 250 = 561,1 В.

На основании выражений (5.1) и (5.2) выбираются силовые модули типа BSM 25 GD 60 DN2 в виде моста с обратными диодами с параметрами, приведенными в таблице 4.

Таблица 4 — Технические параметры силовых модулей BSM 25 GD 60 DN2

Произведем проверку теплового режима.

Потери мощности в силовом ключе:

Р Рн,(42)

где Рн — потеря мощности в номинальном режиме работы ключа, Вт:

Рн = Рст. + Рдин.,(43)

гдеРст. — статическая мощность потерь, Вт;

Рдин. — динамическая мощность потерь, Вт.

Статическая мощность потерь:

(44)

Где kз — коэффициент запаса, учитывающий тепловые режимы работы ключа, рекомендуется принимать kз = 1,2;

Uкэ0 — потеря напряжения на коллекторно-эммиторном переходе в открытом состоянии, В;

Iн — средний ток через ключ в номинальном режиме работы, А.

Подставив численные значения в (44), получим Динамическая мощность потерь:

Рст = (Wвкл + Wоткл) f = (1,5.10−3 + 1,5.10−3)· 20.103 = 60 Вт, (45)

где Wвкл — потеря энергии при включении, Дж;

Wоткл — потеря энергии при отключении, Дж;

f — частота ШИМ.

Выражение (43) принимает вид:

Рн =20 + 60 = 80 Вт.

Проверяем выполнения условия (42):

90 80 Вт.

Т. к. неравенство выполняется, то на основании этого делаем вывод о том, что выбранные силовые ключи пригодны к применению в данном электроприводе.

Выбор силовых диодов выпрямителя Выпрямитель подставляет собой однофазный мост, состоящий из четырех силовых диодов VD1-VD4 (см. рис 6)

Средний ток через диод:

Iн.ср = kф. kп. Iн/kохл = 1,06.1,04.68,5/0,8 = 94,4 А,(46)

Где kф = 1,06 — коэффициент формы, учитывающий несинусоидальность тока через диод ;

kп = 1,4 — коэффициент запаса, учитывающий возможную перегрузку при изменении температуры корпуса диода;

kохл =0,8 — коэффициент, учитывающий отклонений условий охлаждения от номинальных.

Iном — номинальный ток нагрузки, А.

Численно:

Первое из условий выбора силовых диодов:

Iср > Iн. ср;(47)

Iср > 14,7 А.

Рабочее напряжение диода определяется по формуле:

Uраб = kс. Umax/kзн = 1,1. 540/0,8 = 742,5 В,(48)

гдеkс =1,1 — коэффициент, учитывающий возможное повышение напряжения сети;

kзн = 0,8 — коэффициент запаса по напряжению ;

Umax — амплитудное значение напряжения:

В,(49)

где Uс = 220 В — напряжение сети.

Второе из условий выбора силовых диодов:

U? Uраб (50)

U? 311 В.

На основании выражений (47) и (50) выбираются силовые диоды типа MUR 160.

Таблица 5 — Технические параметры силового диода MUR 160

Проверка диодов по рабочей перегрузке.

Максимально допустимый средний ток через диод:

Iср.max > Iср (51)

Определим максимально допустимый средний ток через диод при заданных условиях охлаждения IFAV:

(52)

Где Та — температура окружающей среды; принимаем, что Ta = 60 0C;

Rthja = Rthjc + Rthch + Rthha — тепловое сопротивление переход — среда, 0С/Вт;

Rthjc — тепловое сопротивление переход — корпус, Rthjc=0,08 0С/Вт;

Rthch — тепловое сопротивление копус — контактная поверхность охладителя, Rthch = 0,015 0С/Вт;

Rthha — тепловое сопротивление контактная поверхность охладителя — охлаждающая среда, Rthha = 0,5 0С/Вт;

А (53)

Проверяется выполнение условия (51):

69 > 14,7 А.

Т.к. неравенство выполняется, то на основании этого делаем вывод о том, что выбранные силовые диоды пригодны к применению в данном электроприводе.

Выбор конденсаторов силового фильтра.

Суммарная емкость конденсаторов силового фильтра :

(54)

Где Ud — среднее значение выпрямленного напряжения, В:

Тн — постоянная времени нагрузки, с;

Rн — активное сопротивление нагрузки, Ом;

Uс — допустимое повышение напряжения на конденсаторе.

Среднее значение выпрямленного напряжения:

Ud = kсх. Uф = 1,1.220 = 242 В,(55)

гдеUф =220 В — фазное напряжение сети;

kсх = 1,1 — коэффициент схемы для трехфазного выпрямителя.

Допустимое повышение напряжения на конденсаторе:

Uс = 0,1. Ud = 0,1· 242 = 24,2 В.(56)

Ф.

Определяется максимальное допустимое напряжение на конденсаторе:

;(57)

В.

Выбор зарядного резистора Определим сопротивление резистора, ограничивающий зарядный ток конденсаторов звена постоянного тока (см. рис. 6):

Первоначальный заряд конденсаторов происходит до напряжения на них примерно равному половине выпрямленного напряжения. При этом время заряда составляет примерно постоянной времени цепи R1C. Исходя из того, что в начальный момент времени напряжение на конденсаторе равно нулю, что соответствует практически короткому замыканию между его обкладками, и ток через диоды не должен превышать допустимого значения 10 А, рассчитаем сопротивление зарядного резистора:

Ом.(58)

где Uвыпрямленное напряжение;

Imaxмаксимальный ток.

Постоянная времени цепи

с.(59)

Мощность зарядного резистора выберем 20 Вт, так как он работает кратковременно.

6. Проектирование системы автоматического управления

6.1 Расчет основных параметров для функциональной схемы САУ

Существует несколько способов построения САУ:

САУ с векторным управлением;

САУ со скалярным управлением.

САУ с векторным управлением более точная и сложнее в реализации, по сравнению со скалярным способом управления, а так как у нас не требуется большая точность, то САУ построим на скалярном управлении.

При скалярном управлении и при малой мощности двигателя (до 5 кВт), вентильный двигатель можно представить двигателем постоянного тока.

Функциональная схема вентильного двигателя представлена на рис. 2.

Функциональная схема вентильного двигателя Рис. 2

На рисунке: — модуль жесткости, ;

Т — постоянная времени двигателя, ;

J — суммарный момент инерции двигателя, J=;

Кмкоэффициент пропорциональности, .

6.2 Разработка математической модели электропривода

Существует несколько подходов к математическому описанию физических электромагнитных процессов в вентильном двигателе. По сути дела, уравнения, описывающие электромагнитные процессы, дополненные уравнением движения, образуют математическую модель вентильного двигателя.

Здесь целесообразно использовать уравнения в синхронных осях d — q. Уравнение цепи статора выглядит следующим образом:

(60)

где pсимвол дифференцирования;

— составляющие вектора напряжения по осям d и q;

— потокосцепление по осям d и q;

— активное сопротивление обмотки статора;

-составляющие вектора тока статора по осям d и q;

— синхронная угловая скорость;

— скорость ротора.

Уравнение потокосцепления запишем в форме:

(61)

где, — реактивное сопротивление по осям d и q;

— эквивалентный ток намагничивания по оси d;

— реактивное сопротивление контура магнитного потока.

Дополним уравнения (60) и (61) уравнением движения:

.(62)

Определение электромагнитного момента производится по формуле:

.(63)

Подставляя (61) в (60), получим:

.(64)

Уравнения (63) и (64) образуют дифферинцальную нелинейную модель трехфазного вентильного двигателя, которая будет использоваться при математическом моделировании.

6.3 Синтез регуляторов

Синтез регуляторов для системы регулирования проведем по методике, описанной в /8/.

Преобразователь представим передаточной функцией:

(65)

где — коэффициент преобразователя, ;

— малая нескомпенсированная постоянная времени, .

.

Для контура тока передаточная функция разомкнутой нескорректированной цепи:

(66)

гдекоэффициент обратной связи по току,

.

Так как порядок второй то желаемая передаточная функция, при настройки на модульный оптимум имеет вид:

.(67)

Передаточная функция регулятора тока находится делением выражения (67) на (66):

. (68)

Передаточная функция замкнутого контура тока:

.(69)

Для контура скорости передаточная функция разомкнутой нескорректированной цепи:

(70)

гдекоэффициент обратной связи по скорости,

.(71)

Порядок третий, следовательно, желаемая передаточная функция при настройке на симметричный оптимум имеет вид:

.(72)

Разделив выражение (72) на (71), получим передаточную функцию регулятора скорости:

.(73)

Функциональная схема представлена на рис. 3.

Функциональная схема электропривода.

Рис. 3

7. Анализ динамических и статических характеристик электропривода

7.1 Разработка имитационной модели электропривода; расчет переходных процессов

Для проверки работы привода на данном этапе проектирования разработаем имитационную модель. С помощью модели определим динамические параметры электромеханической системы электродвигателя с системой управления. На данном этапе разработки нам требуется вывести переходные процессы при пуске, торможении, переходе на другую скорость двигателя для следующих параметров:

скорость двигателя;

ток якоря двигателя.

Исходя из вышеперечисленных требований, разработаем имитационную модель, которая представлена на рис. 9.

На модели, представленной на рис. 9 блоки регуляторов скорости и тока не раскрыты. Блок регулятора скорости имеет вид, представленный на рис. 10, а регулятор тока — вид, представленный на рис. 11.

Так как в системе нет изменения нагрузки или скорости в процессе работы, то проведем моделирование для следующих случаев:

Минимальная скорость и минимальный момент нагрузки;

Максимальная скорость и минимальный момент нагрузки;

Минимальная скорость и максимальный момент нагрузки;

Максимальная скорость и максимальный момент нагрузки.

Моделирование переходных процессов проведем в пакете MatLab.

Схема моделирования ПИ-регулятора скорости.

Рис. 4

Схема моделирования ПИ-регулятора тока.

Рис. 5

7.2 Определение показателей качества переходных процессов

Моделирование переходных процессов пуска электропривода для различных режимов работы, приведены на рис. 12 — 19, торможения — рис. 20 — 27.

На них представлены графики для случаев:

Рис. 12, 13, 20, 21- максимальная скорость и максимальная нагрузка;

Рис. 14, 15, 22, 23- максимальная скорость и минимальная нагрузка;

Рис. 16, 17, 24, 25- минимальная скорость и максимальная нагрузка;

Рис. 18,19, 26, 27- минимальная скорость и минимальная нагрузка.

График переходного процесса скорости.

Рис. 6

График переходного процесса тока Рис. 7

График переходного процесса скорости.

Рис. 8

График переходного процесса тока Рис. 9

График переходного процесса скорости.

Рис. 10

График переходного процесса тока Рис. 11

График переходного процесса скорости.

Рис. 12

График переходного процесса тока Рис. 13

График переходного процесса скорости.

Рис. 14

График переходного процесса тока Рис. 15

График переходного процесса скорости.

Рис. 16

График переходного процесса тока Рис. 17

График переходного процесса скорости.

Рис. 18

График переходного процесса тока Рис. 19

График переходного процесса скорости.

Рис. 20

График переходного процесса тока Рис. 21

Как видно из из графиков переходных процессов система управления получилась качественной. В данном случае система реализует практически предельную диаграмму для отработки заданного значения скорости. Пуск и торможение двигателя происходят при максимальном токе, что позволяет получить минимальное время регулирования при заданных ограничениях.

7.3 Построение статических характеристик электропривода

Статические характеристики построим исходя из следующих соображений.

Контур регулирования скорости астатический. Следовательно, напряжение рассогласования на входе регулятора в установившемся режиме должно быть равным нулю. Тогда можно записать следующее уравнение:

(74)

где — напряжение задания скорости;

— коэффициент обратной связи по скорости.

Тогда из уравнения выразим скорость.

(75)

Построим статические характеристики двигателя для максимальной, минимальной и промежуточной скорости. Сведем расчеты в таблицу 6

Таблица 6 — Расчетные значения для статических характеристик.

Статические характеристики двигателя при замкнутой системе управления приведены на рис. 28. Штриховой линией показана область работы привода.

Статические характеристики замкнутой системы электропривода.

8. Выбор и проектирование системы автоматизации производственной установки

8.1 Формализация условий работы установки

Как было сказано выше, в проектируемой установке сделаем автоматизированное нанесение мастики на поверхность. В данном случае мастика должна наносится равномерно по поверхности пола, но скорость движения полотера может быть различной. Поэтому для равномерного нанесения мастики будем дозировать ее в зависимости от скорости движения полотера. Для этого необходимо применение датчика скорости движения, управляющего устройства, которое в зависимости от сигнала датчика будет управлять исполнительным устройством (клапаном либо дозатором). При нулевой скорости движения полотера клапан должен быть полностью закрыт, при максимальной скорости движения почти полностью открыт. Причем, зависимость открытия клапана от скорости движения полотера должна быть линейной.

8.2 Разработка алгоритма управления

Таким образом, зависимость между скоростью движения полотера и состоянием клапана можно представить уравнением

(76)

где Yстепень открытия клапана;

vскорость движения полотера;

kкоэффициент пропорциональности.

Причем необходимо учесть, что подача мастики происходит самотеком, поэтому при различной вязкости мастики при одном и том же коэффициенте пропорциональности, количество наносимой мастики будет различной. Для того, чтобы наносилось необходимое количество мастики необходимо изменять коэффициент k. Графически это можно представить следующим образом.

Графическое представление закона поведения системы автоматики.

8.3 Разработка функциональной схемы

Система автоматического нанесения мастики на обрабатываемую поверхность должна содержать три блока:

датчик скорости;

управляющее устройство;

исполнительное устройство.

Упрощенная функциональная схема системы приведена на рис. 30.

Функциональная схема системы автоматики.

Датчик скорости может быть любого типа. В данной установке применим фотоэлектрический датчик скорости. Датчик содержи светодиод и фотодатчик. На колесе укреплен диск с равномерно расположенными по окружности прорезями. Импульсы, снимаемые с фотодатчика, поступают на цепь формирования импульсов одинаковой длительности, и далее на преобразователь частота-напряжение, который в простейшем случае представляет собой сглаживающий RC-фильтр.

Управляющее устройство представляет собой усилитель с переменным коэффициентом усиления. Коэффициент усиления изменяется путем изменения глубины отрицательной обратной связи (ООС). Чем более глубокая ООС, тем меньше коэффициент усиления.

8.4 Выбор элементов

В качестве основного элемента управляющего устройства выберем операционный усилитель К140УД6, датчик скорости — фотоэлектрический, клапан электромеханический.

Система автоматизации, как было сказано выше, содержит три блока. Это:

датчик скорости;

управляющее устройство;

клапан.

Поясним принцип действия системы (см. принципиальную схему системы автоматики).

Датчик скорости состоит из фотоэлектрического преобразователя, формирователя импульсов равной длительности и преобразователя частота-напряжение.

Фотоэлектрический преобразователь состоит из светодиода VD1, фотодиода VD2, разделенных светонепроницаемым колесом с отверстиями, и транзистора VT1. При вращении колеса фотодиод периодически открывается. При открывании фотодиода база транзистора практически подключается к общему проводу. Это приводит к тому, что транзистор закрывается и на его коллекторе появляется потенциал равный напряжению источника питания.

Импульсы с коллектора транзистора VT1 поступают на устройство формирования импульсов равной длительности, которое построено на одновибраторе К561АГ1 (элемент DD1). Длительность импульса определяется параметрами внешней RC цепочки. Длительность импульса на выходе одновибратора примерно равна половине постоянной времени RC цепочки. В данном случае одновибратор запускается по фронту импульса, поступающего с коллектора транзистора VT1 (вход Т).

Импульсы с выхода одновибратора поступают на преобразователь частота-напряжение, который собран на резисторе R6 и конденсаторе C2. В данном случае этот преобразователь представляет собой RC — фильтр, который сглаживает импульсы, поступающие на его вход.

Управляющее устройство собрано на операционном усилителе DA1. Обратная связь в данном случае переменной глубины, что изменяет коэффициент усиления (переменный резистор R9). Резистор R10 ограничивает минимальный коэффициент усиления.

Напряжение управления с управляющего устройства поступает на устройство формирования релейной характеристики с зоной нечувствительности. Это устройство состоит из усилителя DA2, повторителя DA3 инвертора DA4 и двух триггеров Шмитта на элементах DD 2.1 и DD2.2. На элементах DD2.3 и DD2.4. собраны инверторы, так как триггеры Шмитта имеют инверсный выход. При этом на входе усилителя сравнивается сигнал управления с сигналом обратной связи, и с устройства формирования релейной характеристики сигналы поступают на усилитель двигателя электромеханического клапана.

Усилитель электродвигателя клапана состоит из моста, выполненного на транзисторах VT3. VT6, в диагональ которого включен двигатель. При подаче напряжения на базу транзистора VT2, последний открывается. Это приведет в свою очередь к открыванию транзистора VT3 а за ним и VT6. При этом правый вывод двигателя окажется соединенным через участок коллектор-эмиттер с общим проводом, а левый с источником питания, и двигатель начнет вращаться. При вращении двигатель через редуктор перемещает движок резистора R16. Напряжение рассогласования на входе усилителя DA2 уменьшается, что, в конечном счете, приведет к появлению на выходе элемента DD2.1. уровня логического нуля. Транзисторы VT2, VT3 и VT6 закроются, двигатель остановится. При уменьшении напряжения задания появится уровень логического нуля на выходе элемента DD 2.3, что приведет к открыванию транзисторов VT7, VT5 и VT4. Двигатель начнет вращаться в другую сторону.

При одновременном открывании транзисторов VT3, VT4 либо VT5, VT6 происходит короткое замыкание. Для предотвращения одновременного открывания этих транзисторов предусмотрена защита на диодах VD4, VD5.

Предусмотрена индикация режима нанесения мастики светодиодом VD3.

Произведем расчет элементов системы автоматики.

Выберем светодиод VD1 /9, таблица 12.96/ АЛ307И, с номинальным прямым током 10 мА. Рассчитаем резистор R1, ограничивающий ток через диод.

Выбираем транзистор VT1 КТ3102А. Определяем сопротивление исходя из максимального тока базы транзистора:

Выбираем светодиод с прямым максимальным током более 66 мА. Подходит диод ФД-155.

Рассчитываем резистор R3 исходя из максимального тока коллектора транзистора VT1.

Рассчитаем постоянную времени RC-цепочки задания длительности импульса одновибратора. Для этого выберем резистор R5 сопротивлением 10 кОм. Длительность импульса должна составлять 0,004 с. Тогда емкость конденсатора C1:

Примем стандартную емкость 820 нФ.

Постоянная времени фильтра R6C2 должна составлять примерно в пять раз больше длительности импульса. Оставим емкость конденсатора такой же, как и C1, и увеличим сопротивление резистора до 51 кОм.

Сопротивления резисторов R8. R10 рассчитываются из соображений, что максимальный коэффициент усиления должен быть равен единице. Сопротивление R8 рассчитывается исходя из максимального входного тока операционного усилителя, который для микросхемы К140УД6 составляет 0,1 мкА. Тогда:

.

Сопротивления резисторов R9 и R10 рассчитываются исходя из коэффициента усиления.

Минимальный коэффициент усиления составит примерно 0,1. При этом сопротивление R9 полностью выведено. Тогда:

Тогда сопротивление R9:

Примем стандартное значение 10 кОм.

Сопротивления R11. R19 по 10 кОм (рассчитываются как R8 или выбираются как нагрузка операционного усилителя и должны быть не менее 2 кОм) кроме R12, сопротивление которого 20 кОм.

Схему усилителя электродвигателя рассчитывать не будем, а все номиналы и типы элементов возьмем из /10, ЛПМ любительского кассетного магнитофона/.

9. Конструктивная разработка пульта управления

Пульт управления выполнен из ударопрочной пластмассы. Это может быть как монолитная конструкция совместно со штангой и ручками, так и сборная (что более предпочтительно). Ручки имеют по два металлических кольца (сенсора), которые подключены к блоку защиты. Сенсорный датчик касания предотвращает запуск двигателя, если сенсоров не касается рука.