Устройство управления преобразователем частоты в функции вращающего момента на валу приводного двигателя ленточного конвейера

      где F_н – сила натяжения грузонесущего органа (ленты);

      L – длина конвейера;

      v – скорость ленты;

      w – коэффициент сопротивления  движению;

      μ – коэффициент сцепления между  лентой и барабаном;

      β – угол обхвата барабана лентой;

      q, q_л, q_р', q_p" – удельный вес перемещаемого груза, ленты и роликов на порожней и груженой ветвях ленты.

      Широкий диапазон варьирования тягового усилия влияет на энергетические показатели приводного электродвигателя. Наивысшие значения основных из них – КПД и коэффициента мощности – соответствуют нагрузке АД (0.7…0.9)Р_ном [2]. При уменьшении нагрузки полезная активная мощность АД снижается в большей степени, чем мощность потерь и реактивная мощность, расходуемая на создание вращающегося магнитного поля, обуславливая уменьшение КПД и коэффициента мощности двигателя. Об этом свидетельствуют рабочими характеристиками АД [2]. В итоге, эксплуатация АД в составе ЭП конвейера при изменяющемся грузопотоке сопряжена с нерациональным энергопотреблением при работе в области малых нагрузок.

      Известно [1], что наиболее высокие показатели функционирования ЭП конвейера могут быть достигнуты при регулировании частоты вращения АД в функции грузопотока. В этом случае при снижении объема груза, поступающего в единицу времени, соответственно снижается и скорость грузонесущего органа. В результате удельная масса перемещаемого груза, а, следовательно, и момент на валу АД остаются неизменными (при независимой вентиляции двигателя), чем обеспечиваются оптимальные значения энергетических показателей ЭП. Помимо этого при снижении скорости уменьшается частота огибаний лентой приводных барабанов, увеличивая срок ее службы. 
 
 

2. Анализ  существующих решений  при построении устройства

 

    В настоящее время на действующих  шахтах для автоматизации конвейерных линий широко применяются комплексы автоматизированного управления конвейерами АУК.2М и АУК.1М.

Функциональные  параметры комплекса АУК.2М

    Комплекс  обеспечивает выполнение следующих  функций по управлению (виды управления конвейером):

    1) последовательный автоматический  запуск конвейеров, включенных в  линию, в порядке, обратном  направлению движения грузопотока; 2) автоматизированное управление конвейерной линией с кнопок пульта управления, а также с кнопок прибора – указателя; 3) запуск части конвейерной линии; 4) автоматическое управление конвейерной линией по сигналам технологических датчиков приемных устройств без применения дополнительных аппаратов контроля; дозапуск конвейерной линии без остановки работающих конвейеров линии, а также при работе в режиме автоматического управления с пульта управления магистральной конвейерной линии без применения дополнительных аппаратов (при блокировке ответвления с магистральной линией посредством цепи управления последней); 5) прекращение запуска конвейерной линии с любого блока управления; 6) возможность работы конвейерной линии в режиме автоматического отключения ее при отсутствии грузопотока (с помощью дополнительных аппаратов); 7) управление любым конвейером в линии при отсутствии питания на пульте управления (при длине конвейера более 300м с использованием устройств сигнализации УСТ); 8) управление любым конвейером линии с кнопок блока управления или с выносного кнопочного поста в ремонтно-наладочном режиме; 9) управление концевым (подлавным) конвейером из-под лавы; 10) управление одиночным конвейером без применения пульта управления (при длине конвейера более 300м с использованием устройств сигнализации УСТ; 11) управление двухдвигательным конвейером.

    Кроме того, комплекс обеспечивает отключение любого конвейера из любой точки по его длине (экстренное отключение); контроль запуска конвейерной линии, а также каждого конвейера по времени; контроль скорости ленты ленточного конвейера и движения скребковой цепи; контроль схода ленты конвейера; самоконтроль цепи экстренного отключения конвейера; проверку исправности узла контроля заштыбовки без остановки конвейера; непрерывный контроль исправности измерительной цепи узла контроля заштыбовки.

      Функциональные параметры комплекса АУК.1М отличаются от параметров АУК.2М тем, что он позволяет работу конвейерной линии в энергосберегающем режиме, с применением дополнительных аппаратов, а также пуск каждого последующего конвейера линии только после установления рабочей скорости движения несущего органа предыдущего конвейера и выдержкой времени не менее 1с после окончания пуска предыдущего конвейера.

      В состав вышеописанных комплексов может  входить аппарат АПМ, позволяющий производить плавный пуск ленточного конвейера. Он не позволяет получить желаемого эффекта вследствие значительного потребления реактивной мощности самим регулятором, что обусловлено принципом естественной коммутации тиристорных ключей - при понижении напряжения на выходе коэффициент мощности привода снижается, поскольку непосредственно определяется углом управления тиристорами α. Помимо этого работа ЭП на основе подобных ИРПН характеризуется значительным содержанием 5-й, 7-й, 11-й и т.п. гармоник в выходном напряжении и токе и, как следствие, ухудшением режима работы остальных электропотребителей сети и значительной амплитудой пульсаций электромагнитного момента АД. 

    Для измерения вращающего момента на валу приводного двигателя (редуктора) в настоящее время применяют магнитоупругие датчики крутящего момента или тензорезисторы. Первые применяются и эффективно работают в технологических цепях прокатного производства, а в условиях шахты их применение затруднено, прежде всего, стесненностью рабочего пространства (необходимость установки непосредственно на крышке переднего подшипника двигателя, что приводит к  увеличению длины хвостовика вала на 100 – 130 мм), также к их недостатку следует отнести значительное собственное энергопотребление датчика и низкую чувствительность. Вторые применимы в условиях шахты, но основной проблемой остается коммутация датчика, расположенного непосредственно на валу приводного двигателя, с входными цепями аппаратуры контроля и обеспечение необходимых искро -, взрывозащиты.

    Исходя  из вышеизложенного наиболее приемлемым вариантом является применение преобразователя  частоты с обратной связью по вращающему моменту на валу приводного двигателя с датчиками Холла, позволяющими получить необходимые точность, быстродействие, чувствительность и взрывозащиту объекта. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Разработка  структурной и  функциональной электрических  схем

                                                       устройства 

     3.1 Разработка технического  задания 
 

     В ходе работы должно быть спроектировано устройство, обеспечивающее на выходе напряжение, форма (временная диаграмма) которого должна повторять действительное изменение вращающего момента на валу приводного двигателя ленточного конвейера, причем максимальный уровень этого сигнала должен соответствовать стандарту ГСП на уровне сигналов в системах автоуправления. Управление ЗМ должно осуществляться от датчиков Холла, установленных непосредственно на жилах питающих кабелей приводных двигателей.

     На  выходе ЗМ должен быть сформирован уровень задающего сигнала, пропорциональный номинальному заданному моменту двигателя.

     В качестве элемента, преобразующего действующие  значения тока и напряжения в требуемый вращающий момент применить микроконтроллер, как элемент, обеспечивающий высокую точность  и быстродействие в сочетании с высокой надежностью эксплуатации.

     На  вход микроконтроллера должны поступать  сигналы в виде непрерывного сигнала, пропорционального временному изменению статорных токов и напряжений АД, причем наибольший уровень входного сигнала не должен превышать допустимый уровень напряжения на входе контроллера. 

     3.2 Разработка структурной  схемы 

     На  основании ТЗ (п. 2.1) может быть составлена структурная схема проектируемого устройства. Структурная схема приведена на рис. 2.1.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 2.1 –  Структурная схема УУПЧ 

     В схеме приняты следующие обозначения:

     БП  – блок питания;

     ДХ  – датчики Холла (для снятия сигнала  пропорционального питающему току и напряжению приводного двигателя; устанавливаются на жилах кабеля);

     УС  – устройство согласования выходного сигнала датчиков со входом принятой микросхемы МК;

     МК  – микроконтроллер;

     ЗМ  – устройство задания необходимого значения момента;

     Д – драйвер (устройство, согласующее  выход микроконтроллера с цепями управления IGBT – транзисторов преобразователя частоты);

     Усилитель выходного сигнала микроконтроллера предназначен для подачи аналогового сигнала, пропорционального фактическому значению вращающего момента, на прибор визуального контроля. 
 

     3.3 Разработка функциональной  схемы 
 

     На основании структурной схемы может быть разработана функциональная схема проектируемого устройства. В функциональной схеме уже необходимо привязаться к конкретным схемным решениям блоков структурной схемы, если возможно –  предложить несколько вариантов и выбрать лучший.

     Функциональная  схема УУПЧ приведена на рис. 2.2.

     В качестве датчиков тока и напряжения могут использоваться либо широко используемые трансформаторные датчики, либо, для упрощения конструкции и монтажа на объекте, датчики Холла.

     В устройстве согласования можно применить операционный усилитель для приведения выходного сигнала датчика к уровню, достаточному для нормальной работы микроконтроллера.

     В качестве ЗМ можно применить обыкновенный пленочный регулируемый  резистор, питающийся от источника питания самого контроллера и обеспечивающий функции делителя напряжения. В зависимости от уровня сопротивления, установленного резистором (ЗМ), будет обеспечиваться необходимый крутящий момент на валу двигателя, пропорциональный напряжению на выходе делителя. 

 

 
 

            Рисунок 2.2 – Функциональная схема УУПЧ 

4. Разработка  принципиальной электрической  схемы устройства

 

     4.1 Принципиальная схема  датчика 

     Датчик, чувствительным элементом которого является пластина из полупроводника (германий, кремний, сурьмянистый индий, мышьяковистый индий), должен формировать на выходе аналоговый сигнал пропорциональный измеряемым току и напряжению. Для этих функций применим датчик Холла производителя MITSUBISHI electric, типа HTA200 – S, изготовленный по технологии Open Loop.

     Таблица4.1 - Технические характеристики принятого датчика 

           
 
 
 
 
 
 
 

           Рисунок 4.1 – Принципиальная схема датчика Холла  

     4.2 Выбор микроконтроллера 

     Для решения поставленной задачи принимается  микроконтроллер AT90S2313 фирмы Atmel.

    AT90S2313 – экономичный 8 битовый КМОП  микроконтроллер, построенный с использованием расширенной RISC архитектуры AVR. Исполняя по одной команде за период тактовой частоты, AT90S2313 имеет производительность около 1MIPS на МГц, что позволяет разработчикам создавать системы оптимальные по скорости и потребляемой мощности.

     В основе ядра AVR лежит расширенная RISC архитектура,  объединяющая развитый набор команд и 32 регистра общего назначения. Все 32  регистра непосредственно подключены к арифметико-логическому  устройству (АЛУ), что дает доступ к  любым двум регистрам за один  машинный цикл. Подобная архитектура обеспечивает десятикратный выигрыш в эффективности кода по сравнению с традиционными CISC микроконтроллерами.