Система управления безредукторного электропривода измельчителя листостебельных кормов

№87-1,

технические науки

В статье описывается система управления многодвигательным электроприводом измельчителя листостебельных кормов.

Похожие материалы

Резание — один из видов измельчения, связанный с применением лезвия. При резании уменьшается линейный размер частиц, увеличиваются число новых частиц и общая площадь боковой поверхности.

Резание разделяют на скользящее и рубящее. При рубящем резании лезвие перемещается относительно продукта перпендикулярно режущей кромке, при скользящем — под некоторым углом к режущей кромке лезвия. В измельчителях листостебельных кормов перспективно применение скользящего резания, так как оно является более энергоэффективным [1].

Скользящее резание может быть осуществлено различными способами (рисунок 1): а) при помощи вибраций ножа; б) установкой ножа под углом χ к противорежущей пластине.

Виды резания со скольжением: а) вибрационное; б) наклонное: 1 — нож, 2 — перерезаемый материал; 3 — противорежущая пластина
Рисунок 1. Виды резания со скольжением: а) вибрационное; б) наклонное: 1 — нож, 2 — перерезаемый материал; 3 — противорежущая пластина

Для реализации комбинированного способа резания предлагается следующая система управления измельчителем. Режущий барабан приводится в движение асинхронным двигателем (АД). Для изменения скорости вращения асинхронным двигателем в систему управления внедрен частотный преобразователь. Частотное регулирование создает возможность управления скоростью электродвигателя в широком диапазоне. Это в свою очередь позволяет избегать сложных переходных процессов в электрических сетях, обеспечивая работу оборудования в наиболее экономичном режиме [5]. Частотное регулирование также позволяет улучшить безотказность работы и долговечность технологической системы. Это обеспечивается за счет снижения пусковых токов, устранения перегрузок элементов системы и постепенной выработки моточасов оборудования.

Преобразователь частоты на экспериментальной установке
Рисунок 2. Преобразователь частоты на экспериментальной установке

Для регулирования частоты вращения двигателя вращения применяется полупроводниковый преобразователь частоты АПЧ-ТТЕТ-6,3-380-Х-УХЛ4 на IGBT-транзисторах, позволяющий изменять напряжение и частоту переменного тока Преобразователи АПЧ представляют собой преобразователи частоты типа «неуправляемый выпрямитель — звено постоянного тока — транзисторный инвертор напряжения» с микропроцессорной системой управления. На выходе преобразователя формируется напряжение регулируемой амплитуды и частоты, подаваемое на обмотки фаз статора двигателя. Изменение амплитуды и частоты выходного напряжения выполняется системой управления по закону U/f = const, обеспечивающему регулирование и поддержание на заданном уровне частоты вращения двигателя [6].

Для перемещения направляющего рассекателя используется цилиндрический линейный асинхронный электродвигатель (ЛАД). К основным качествам такого решения относится дешевизна ЛАД, надежность, отсутствие дополнительных элементов, таких как кривошипно-шатунные механизмы, шестерни. С двух сторон направляющей деки закреплены упругие элементы.

Управление колебательным процессом ЛАД возможно в режимах вынужденных и автоколебаний. В приводах замкнутого типа реализуются автоколебания. В этом случае должна быть позиционная связь между положением вторичного элемента и фазой включения напряжения ЛАД. Рассматриваемые колебательные приводы просты, не требуют специальных схем управления, позволяют получить значительные линейные перемещения. Однако фиксированное размещение датчиков положения приводит к трудностям самовозбуждения колебаний. Этот недостаток окупается простотой реализации схемных решений. Приводы разомкнутого типа в линейном электроприводе (ЛЭП) с вынужденным реверсом обеспечивают устойчивую работу в переходных режимах и значительных изменениях нагрузки, но схемные решения управления сложнее, чем в первом случае [3]. Эти способы управления дополняют друг друга и могут быть применены в колебательном приводе. Обеспечение необходимой диаграммы колебательного движения рабочего органа оборудования обуславливает необходимость применения в схемах ЛЭП режима противовключения ЛАД с целью гашения кинетической энергии рабочего органа, накопленной при прямом ходе. Большая часть этой энергии выделяется в виде тепла во вторичном элементе ЛАД, что может быть оправдано только при необходимости технологического нагрева рабочего органа оборудования теплом вторичного элемента. Часто в цикле авто- или вынужденных колебаний ЛЭП из-за необходимого изменения ускорения вторичного элемента при изменении направления движения нужно, чтобы тяговые показатели ЛАД периодически менялись при переключении. В двухдвигательном, например, автоколебательном ЛЭП для этого необходимо, чтобы ЛАД различались развиваемыми усилиями. В колебательном ЛЭП с одним ЛАД возможен способ перехода на другое напряжение питания при переключении фаз. Вышесказанное обуславливает необходимость упрощения автоколебательных ЛЭП и ЛЭП, работающих в режиме вынужденных колебаний. Упрощение привода может быть достигнуто в случае, если кинетическая энергия, накопленная при прямом ходе вторичного элемента, будет запасаться при торможении в каком-нибудь накопителе. Наиболее эффективны в данном случае цилиндрические винтовые пружины, обеспечивающие стабильность настройки, сравнительно небольшие габаритные размеры и массы, простые в сборке и выносливые при применении [7]. При этом появляется возможность производить разгон вторичного элемента в обратном направлении за счет запасенной энергии. Отсутствие потребления энергии при гашении кинетической энергии и ее использование при разгоне позволяет уменьшить потребляемую из сети энергию [2].

ЛЭП, работающий в режиме вынужденных колебаний, обладает широкими возможностями регулирования амплитуды и частоты или только амплитуды колебания рабочего органа. В режиме вынужденных колебаний ЛАД включается в работу с частотой задаваемой блоком импульсного управления (путем изменения периода импульса и длительности включения) вне зависимости от частоты собственных колебаний системы.

Для реализации колебательного перемещения направляющего рассекателя и управления параметрами вынужденных колебаний ЛАД внедрен блок импульсного управления. На рисунке 3 приведена структурная схема импульсного регулятора напряжения, который состоит из пяти основных блоков.

Структурная схема импульсного регулятора напряжения: ФР — фазорегулятор; РВ — реле времени; БП — блок питания; БСИ — блок синхронизирующих импульсов; У — усилитель; ВУ — выходное устройство; БТ — блок тиристоров
Рисунок 3. Структурная схема импульсного регулятора напряжения: ФР — фазорегулятор; РВ — реле времени; БП — блок питания; БСИ — блок синхронизирующих импульсов; У — усилитель; ВУ — выходное устройство; БТ — блок тиристоров

Фазорегулятор (рисунок 4,5) осуществляет сдвиг управляющих импульсов относительно входного напряжения. Одновременно он является источником синхронизирующего напряжения.

Схема фазорегулятора
Рисунок 4. Схема фазорегулятора
Векторная диаграмма фазорегулятора
Рисунок 5. Векторная диаграмма фазорегулятора

Изменяя сопротивление, изменяем угол сдвига фазы по напряжению. При этом, как видно из диаграммы (рисунок 5), величина выходного напряжения остается неизменной. Фазорегулятором производим сдвиг управляющих импульсов при работе с активно-индуктивной нагрузкой (линейный двигатель) [4].

Блок питания
Рисунок 6. Блок питания

Усилитель выполнен по двухтактной схеме усиления на транзисторах с общим эмиттером. Диоды VD9 и VD10 служат для формирования прямоугольных импульсов. Конденсатор С1, резистор R1 и конденсатор С2, резистор R2 формируют управляющий импульс. Ширина импульса составляет 350 мс, что является достаточным для срабатывания тиристоров. Выходное устройство выполнено на импульсном трансформаторе Т1 на ферритовом сердечнике тороидальной формы. Регулирование амплитуды трехфазного напряжения производится с помощью тиристорного регулятора напряжения (ТРН) типа РНТТЕ (рисунок 7).

Тиристорный регулятор напряжения РНТТЕ-63
Рисунок 7. Тиристорный регулятор напряжения РНТТЕ-63
Конструкция измельчителя листостебельных кормов с безредукторным электроприводом: 1 — загрузочный лоток; 2 — направлящий рассекатель; 3 — противорежущая пластина; 4 — асинхронный электродвигатель; 5 — корпус шарикоподшипника вала барабана; 6 — диск режущего барабана; 7 — нож; 8 — выгрузной лоток; 9 — станина; 10 — вал барабана; 11 — линейный асинхронный электродвигатель.
Рисунок 8. Конструкция измельчителя листостебельных кормов с безредукторным электроприводом: 1 — загрузочный лоток; 2 — направлящий рассекатель; 3 — противорежущая пластина; 4 — асинхронный электродвигатель; 5 — корпус шарикоподшипника вала барабана; 6 — диск режущего барабана; 7 — нож; 8 — выгрузной лоток; 9 — станина; 10 — вал барабана; 11 — линейный асинхронный электродвигатель.

Предложенная система импульсного управления ЛАД позволяет регулировать параметры колебания рассекателя в широком диапазоне, как по частоте (0,5-4 Гц), так и по амплитуде (10-120 мм) без остановки машины.

Измерительная аппаратура на экспериментальной установке: 1 — датчик линейных перемещений; 2 — модуль АЦП ЦАП Zet 210; 3 — датчик тока ЛАД; 4 — датчик тока АД.
Рисунок 9. Измерительная аппаратура на экспериментальной установке: 1 — датчик линейных перемещений; 2 — модуль АЦП ЦАП Zet 210; 3 — датчик тока ЛАД; 4 — датчик тока АД.

Для исследований собрана экспериментальная установка, для снятия показаний используется модуль АЦП ЦАП ZetLab, с двумя датчиками тока и датчиком линейных перемещений.

Список литературы

  1. Кондратов А.Ф. Механизация животноводства: Учебное пособие/ А.Ф. Кондратов, В.П. Ожигов, И.Я. Федоренко, В.И. Земсков и др; Ново-сиб. гос. аграр. ун-т. Инж. ин-т – Новосибирск, 2004. – 318 с.
  2. Аипов Р.С. Основы построения и теории линейных приводов с упру-гими накопителями.- Уфа: БГАУ, 2006. – 293 с.
  3. Линенко А.В. Линейные асинхронные электроприводы сложного ко-лебательного движения для технологических машин АПК.- Уфа: БГАУ, 2015. – 184 с.
  4. Осипов Я.Д. Безредукторный электропривод с линейными электро-двигателями для реализации сложного колебательного движения рабочего органа технологических машин / Я.Д. Осипов, В.В. Эбингер // Молодеж-ная наука и АПК: проблемы и перспективы. Материалы III научно-практической конференции молодых ученных и аспирантов. – Уфа: ФГОУ ВПО Башкирский ГАУ. – 2009. с 105 – 108.
  5. Аипов Р.С. Математическая модель колебательного электропривода измельчителя листостебельных кормов / Р.С. Аипов, Я.Д. Осипов, В.В. Эбингер // Вестник Башкирского ГАУ. – 2013. – № 1(25). – С. 71 – 75.
  6. Аипов Р.С. Основы силовой преобразовательной техники [Текст]: учебное пособие / Р.С. Аипов, А.К. Белкин, Е.И. Мухортова. – Уфа: Башкирский ГАУ, 2015. – 80 с.
  7. Аипов, Р.С. Перспективы применения безредукторного асинхронно-го электропривода для процессов послеуборочной обработки зерна / Р.С. Аипов, Я.Д. Осипов // Известия Санкт – Петербургского государственного аграрного университета. – СПб – Пушкин, СПбГАУ, 2009. – № 16. – С. 152 – 157.