Плавный разгон и торможение промышленных механизмов

В настоящее время со всё большим развитием и усложнением технологических процессов, с одной стороны, и с доступностью современной преобразовательной техники – с другой, существует необходимость в разработке новых и совершенствовании уже имеющихся методов и алгоритмов управления промышленными механизмами. Механизмы, подвергающиеся частым включениям и отключениям, наиболее подвержены износу металлических конструкций именно во время пуска (разгона) и останова (торможения). Для минимизации нежелательных воздействий на подобные механизмы были разработаны алгоритмы, позволяющие сформировать S-образные профили разгона и торможения.

Формирование профилей разгона и торможения

По S-образным профилям осуществляется постепенное изменение выходной частоты в соответствии с требуемым уровнем и скоростью изменения (рис. 1).

S-образные профили разгона и торможения формируются из трёх отдельных участков: два участка с равноускоренным характером, средний – с прямолинейным. Участки равноускоренного характера строятся в соответствии с параболическим законом, участок прямолинейного характера – с линейным.

Для создания или изменения S-образных профилей разгона и торможения задаются следующие определённые параметры (табл. 1).

Рис. 1. Общий вид профиля частоты (сверху) и ускорения (снизу) разгона; частоты вращения вала двигателя (Гц): F_ЗАД - требуемая, F ₀ - начальная; ускорения вращения вала двигателя (Гц/с): а_ЗАД - требуемое, а ₀ - начальное; длительность разгона (с): Т РАЗГ - общее, Т1_РАЗГ - первого участка, Т2_РАЗГ - линейного участка, T3_РАЗГ – третьего участка

Таблица 1. Параметры профиля разгона с 0 до 5 Гц и торможения с 0 до 5 Гц за 2с

Имя параметра, единицы измерения	Описание и единицы измерения
F ЗАД , Гц	Заданная частота
T РАЗГ , с	Полное время разгона
T ТОРМ , с	Полное время торможения
T1 РАЗГ , % от T РАЗГ	Время первого участка S-образного профиля разгона
T3РАЗГ , % от TРАЗГ	Время третьего S-образного профиля разгона
T1ТОРМ , % от TТОРМ	Время первого участка S-образного профиля торможения
T3ТОРМ , % от TТОРМ	Время третьего участка S-образного профиля торможения

Рис. 2. Общий вид профиля частоты (сверху) и ускорения (снизу) торможения; длительность торможения (с): T ТОРМ – общее, T1 ТОРМ – первого участка, T2 ТОРМ – линейного участка, T3 ТОРМ – третьего участка

Вид линейного профиля разгона и торможения, при котором T 1 = T 3 = 0, обозначен на рис. 1, 2 пунктирной линией.

Длительность линейных участков разгона Т_РАЗГ и торможения Т_ТОРМ вычисляется автоматически, исходя и общего времени разгона T_РАЗГ и торможения T_ТОРМ , первого и третьего участков разгона T 1 РАЗГ и T 3 РАЗГ и первого и третьего участков торможения T 1 _ТОРМ и T 3 _ТОРМ :

^Т РАЗГ = ^Т РАЗГ ^— ( T ¹ РАЗГ ⁺ T ³ РАЗГ ); T ² ТОРМ = ^Т ТОРМ ^— ( T 1 ТОРМ ⁺ T ³ ТОРМ ).

Пример формирования профиля разгона и торможения

Необходимо осуществить разгон двигателя с 0 до 5 Гц по S-кривой за 2 с с длиной первого участка разгона 0,4 с, а третьего – 0,6 с. Полный останов двигателя необходимо осуществить по S-кривой за 2 с с длиной первого участка разгона 0,6 с, а третьего – 0,4 с.

Задаются значения соответствующих параметров, указанных в табл. 2.

Для осуществления торможения двигателя по сформированному профилю с текущей частоты до заданной (или до нулевой – полный останов) следует изменить значение переменной – 216 –

F_ЗАД на требуемое значение частоты. Результат полного останова двигателя ( Р _заД = 0) с текущего значения (5 Гц) с параметрами из табл. 2 представлен на рис. 4.

Вид профиля разгона двигателя по заданным параметрам представлен на рис. 3.

Таблица 2. Значения параметров профилей разгона и торможения

Разгон	F ЗАД = 5,0	T РАЗГ = 2,0	T1 РАЗГ = 20; // (0,4 с)
	F о = 0,0		T3 РАЗГ = 30; // (0,6 с)
Торможение	Р зАД = 0	TТОРМ = 2,0	T1ТОРМ = 30; // (0,6 с)
	F о = 5,0		T3ТОРМ = 20; // (0,4 с)

Рис. 3. Профиль разгона по S-кривой с 0 до 5 Гц за 2 с (сплошная линия) в соответствии с параметрами из табл. 2

Рис. 4. Профиль торможения по S-кривой с 5 до 0 Гц за 2 с (сплошная линия) в соответствии с параметрами из табл. 2

Плавный разгон и торможение электропривода пассажирского лифта

Системами, максимально соответствующими современным тенденциям лифтостроения, являются электроприводы по системе «преобразователь частоты – асинхронный двигатель». Они отвечают требованиям и запросам современного рынка, но преимущественно производятся за пределами России, в Европе и Китае, или собираются на отечественных заводах из импортных комплектующих. Система «преобразователь частоты – асинхронный двигатель» вносит новые возможности в управлении и манипулировании электродвигателями. Как следствие, возникает необходимость в формировании качественно новых алгоритмов управления, наиболее адаптивных и совершенных, способных выполнять широкий комплекс задач. Приоритетными из них по сей день являются безопасность, бесперебойность, энергоэффективность и комфортность. Для обеспечения плавности движения механизмов электропривода лифта в качестве формы разгона целесообразно использовать S-образный профиль (рис. 1).

Моделирование разгона и торможения электропривода пассажирского лифта

На этапе разработки алгоритма плавного разгона и торможения было проведено имитационное моделирование работы электропривода пассажирского лифта [1].

Модель электропривода состоит из следующих блоков: асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, источник питания, блок управления и блок задания скорости (рис. 5) [2]. Блок формирования частоты формирует требуемую частоту вращения вала ротора двигателя по S-образным профилям (рис. 6 и 7). Профиль торможения привода лифта формируется из профиля замедления привода и профиля дотягивания (останова) (рис. 7).

Рис. 5. Модель электропривода пассажирского лифта в системе Matlab / Simulink

Рис. 6. Профиль разгона привода лифта по S-образному профилю с 0 до 50 Гц за 2 с

Рис. 7. Профиль торможения привода лифта по S-кривой

АД с короткозамкнутым ротором мощностью 7,5 кВт был выбран на основе проведённых расчётов, исходя из предполагаемой нагрузки (массы кабины лифта с пассажирами).

Трехфазный источник питания, представляющий собой преобразователь частоты, в зависимости от сигнала управления формирует необходимую частоту и амплитуду питающего напряжения.

В процес проведения имитационного моделирования были получены кривые переходных процессов, протекающих в АД в процессе его разгона (рис. 8).

Рис. 8. Кривые переходных характеристик: а) заданная частота и частота вращения вала ротора; б) электромагнитный момент; в) фазный ток

а)                             б)

Рис. 9. Преобразователь частоты «ESD-TCL» (ЗАО «ЭлеСи») (а), электропривод лифта с редукторной лебёдкой (б)

На рис. 8 достаточная плавность кривой электромагнитного момента двигателя, а также отсутствие знакопеременного характера свидетельствуют о требуемой плавности процесса разгона электропривода и его механизмов.

При работе в преобразователе частоты алгоритм плавного разгона и торможения обеспечил заметное улучшение характеристик процессов асинхронного редукторного электропривода пассажирского лифта (рис. 9). Переходный процесс по частоте вращения вала ротора АД имеет S-образную форму, схожую с формой заданной частоты.

Результаты проведённых экспериментальных исследований доказали соответствие профиля частоты вращения вала ротора АД S-образным профилям разгона и торможения. Вид кривой при торможении также соответствует профилю задания с участком дотягивания.

Рис. 10. Частота вращения вала ротора АД при разгоне и торможении (результат эксперимента)

Заключение

В результате выполнения работы был разработан алгоритм плавного разгона и торможения, также промоделированы процессы, протекающие в асинхронном двигателе. Использование S-образного профиля разгона и торможения электропривода грузоподъемного механизма пассажирского лифта обеспечивает плавность хода кабины лифта, что сказывается на комфортности пассажиров, а также на сохранности механических частей оборудования (редуктора привода). Разработанный алгоритм функционирует в качестве программного обеспечения преобразователя частоты «ESD-TCL 7,5» ЗАО «ЭлеСи».