Электропривод механизма подъема крана
Изобретение относится к электротехнике и может использоваться для регулирования скорости подъема груза краном. Сущность изобретения заключается в том, что в известную астатическую второго порядка CAP угловой скорости электропривода с улучшенными характеристиками, содержащую: электродвигатель постоянного тока, соединенный с исполнительным органом механизма, задатчик частоты вращения ЧВ, фильтр, два регулятора, систему формирования импульсов, тиристорный силовой блок, датчик напряжения, датчик тока, датчик ЧВ двигателя, три пропорциональных блока, апериодический блок, первый инерционно-дифференциальный блок, введены триждыпозиционный дифференциально-дваждыдифференциально-триждыдифференциальный блок, дваждыпозиционный дифференциально-дваждыдифференциальный блок, второй инерционно-дифференциальный блок, дваждыпозиционный дифференциальный блок, дваждыпозиционный пропорционально-дифференциально-дваждыдифференциальный блок, четыреждыпозиционный дифференциально-дваждыдифференциально-триждыдифференциально-четыреждыдифференциальный блок, фильтр выполнен в виде позиционного четвертого порядка блока, первый регулятор выполнен в виде пропорционально-интегрального блока и регулирует ЧВ исполнительного органа механизма, второй регулятор выполнен в виде пропорционально-интегрально-дваждыинтегрально-триждыинтегрально-четыреждыинтегрального блока и регулирует первую производную ЧВ исполнительного органа механизма. Технический результат: обеспечение необходимого темпа разгона (торможения) груза. Кроме того, заявляемый электропривод механизма подъема крана, как и прототип, обладает: нулевой статической ошибкой регулирования по углу поворота исполнительного органа механизма, минимально возможной ошибкой ЧВ исполнительного органа механизма при отработке электроприводом управляющих воздействий, предельным быстродействием контуров регулирования, минимально возможной динамической ошибкой ЧВ исполнительного органа механизма при ступенчатом внешнем возмущающем воздействии. 1 ил.
Изобретение относится к электротехнике и может использоваться для подъема и спуска груза краном по оптимальной по быстродействию тахограмме, т.е. за минимально возможное время. При этом к электроприводу предъявляют следующие требования: отсутствие статической ошибки регулирования по углу поворота исполнительного органа механизма (по положению груза), отсутствие статической ошибки регулирования частоты вращения ЧВ исполнительного органа механизма (скорости груза), минимально возможная динамическая ошибка ЧВ исполнительного органа механизма (скорости груза) при отработке электроприводом управляющего воздействия, минимально возможная динамическая ошибка ЧВ исполнительного органа механизма (скорости груза) при ступенчатом внешнем воздействии, предельное быстродействие контуров регулирования.
Наиболее близким к заявляемому электроприводу механизма подъема крана является: электропривод постоянного тока (патент на изобретение РФ №2158468) /1/.
Прототип содержит: электродвигатель постоянного тока, подключенный к выходу тиристорного силового блока и соединенный с исполнительным органом механизма через упругий трос задатчик ЧВ, выход которого соединен с входом фильтра, фильтр, выход которого соединен с первым входом первого регулятора, первый регулятор, выход которого соединен с первым входом второго регулятора, выход которого соединен с входом системы формирования импульсов, подающей импульсы на открытие тиристоров, выход которой соединен с входом тиристорного силового блока, датчик напряжения, датчик тока, датчик ЧВ двигателя, первый пропорциональный блок, первый вход которого соединен с датчиком напряжения, а выход соединен со вторым входом второго регулятора, второй пропорциональный блок, вход которого соединен с выходом датчика тока, а выход соединен со вторым входом первого пропорционального блока, третий пропорциональный блок, вход которого соединен с выходом датчика ЧВ двигателя, а выход соединен с третьим входом первого пропорционального блока.
При эксплуатации прототипа обнаружен следующий недостаток - невозможность обеспечить необходимый темп разгона (торможения) груза, так как трос обладает упругостью, то при нанесении управляющих воздействий возникают колебания груза, поэтому уменьшают задаваемый темп разгона (торможения), что уменьшает производительность грузоперевозок.
Задача, решаемая изобретением, заключается в устранении колебаний при подъеме (спуске) груза, обусловленных упругостью троса, что позволит увеличить темп разгона (торможения) груза.
Техническим результатом от использования изобретения является регулирование ЧВ исполнительного органа механизма и ее первой производной, что позволяет достичь необходимого темпа разгона (торможения) груза и, как следствие, увеличить производительность грузоперевозок.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство введены триждыпозиционный дифференциально-дваждыдиффе-ренциально-триждыдифференциальный блок с передаточной функцией
вход которого соединен с выходом датчика тока, а выход соединен с третьим входом второго регулятора, дваждыпозиционный дифференциально-дваждыдифференциальный блок с передаточной функцией 
первый вход которого соединен с выходом апериодического блока, второй вход - с выходом первого инерционно-дифференциального блока, а выход - с четвертым входом второго регулятора, дваждыпозиционный дифференциальный блок с передаточной функцией 
вход которого соединен с выходом датчика тока, а выход - с первым входом второго инерционно-дифференциального блока и первым входом дваждыпозиционного-пропорционально-дифференциально-дваждыдифференциального блока с передаточной функцией 
второй инерционно-дифференциальный блок, выход которого соединен с пятым входом второго регулятора, дваждыпозиционный пропорционально-дифференциально-дваждыдифференциальный блок, выход которого соединен со вторым входом первого регулятора, дваждыпозиционный пропорционально-дваждыдифференциальный блок с передаточной функцией 
вход которого соединен с выходом датчика частоты вращения двигателя, а выход соединен со вторым входом второго инерционно-дифференциального блока и со вторым входом дваждыпозиционного пропорционально-дифференциально дваждыдифференциального блока, четыреждыпозиционный дифференциально-дваждыдифференциально-триждыдифференциально-четыреждыдифференциальный блок с передаточной функцией
вход которого соединен с выходом датчика частоты вращения двигателя, а выход соединен с третьим входом первого регулятора, фильтр выполнен в виде позиционного блока четвертого порядка с передаточной функцией
выход которого соединен с первым входом первого регулятора, первый регулятор выполнен в виде пропорционально-интегрального блока, регулирующий частоту вращения исполнительного органа механизма, соединенного с исполнительным органом механизма через упругий трос, второй регулятор выполнен в виде пропорционально-интегрально-дваждыинтегрально-триждыинтегрально-четыреждыинтегрального блока с передаточной функцией
регулирующий первую производную частоты вращения исполнительного органа механизма.
Электропривод механизма подъема крана представляют в виде двухмассовой упругой электромеханической системы: электродвигатель - первая масса; крюк с грузом - вторая масса; трос - упругость.
Позиционный четвертого порядка блок 4 имеет передаточную функцию
где 
РЧВ - постоянная времени регулятора частоты вращения электропривода,
РППЧВ - постоянная времени регулятора первой производной частоты вращения электропривода.
Пропорционально-интегральный блок 5 имеет передаточную функцию
где 
РЧВ - динамический коэффициент регулятора частоты вращения электропривода.
Пропорционально-интегрально-дваждыинтегрально-триждыинтегрально-четыреждыинтегральный блок 6 имеет передаточную функцию
где РППЧВ - динамический коэффициент регулятора первой производной частоты вращения электропривода;
ТРППЧВ - постоянная времени регулятора частоты вращения электропривода;
Т
- некомпенсируемая постоянная времени тиристорного преобразователя.
Триждыпозиционный дифференциально-дваждыдифференциально-триждыдифференциальный блок 14 имеет передаточную функцию
где КОППЧВ - коэффициент обратной связи по первой производной частоты вращения электропривода;
СM - коэффициент электродвигателя;
J1 - момент инерции электродвигателя;
J2 - приведенный момент инерции крюка и груза;
TT1-ТT3 - постоянные времени.
Апериодический блок 15 имеет передаточную функцию
Дваждыпозиционный дифференциально-дваждыдифференциальный блок 16 имеет передаточную функцию
где ППЧВ1, ППЧВ2 - постоянные времени.
Первый инерционно-дифференциальный блок 17 имеет передаточную функцию
Дваждыпозиционный дифференциальный блок 18 имеет передаточную функцию
где Су - жесткость троса.
Второй инерционно-дифференциальный блок 19 имеет передаточную функцию
Дваждыпозиционный пропорционально-дифференциально-дваждыдифференциальный блок 20 имеет передаточную функцию
где КОЧВ - коэффициент обратной связи по частоте вращения электропривода;
ЧВ1, ЧВ2 - постоянные времени.
Дваждыпозиционный пропорционально-дваждыдифференциальный блок 21 имеет передаточную функцию
Четыреждыпозиционный дифференциально-дваждыдифференциально-триждыдифференциально-четыреждыдифференциальный блок 22 имеет передаточную функцию
где ТЧВ1-ТЧВ4 - постоянные времени.
Таким образом, введение триждыпозиционного дифференциально-дваждыдифференциально-триждыдифференциального блока, дваждыпозиционного дифференциально-дваждыдифференциального блока, дваждыпозиционного дифференциального блока, второго инерционно-дифференциального блока, дваждыпозиционного пропорционально-дифференциально-дваждыдифференциального блока, дваждыпозиционного пропорционально-дваждыдифференциального блока, четыреждыпозиционного дифференциально-дваждыдифференциально-триждыдифференциально-четыреждыдифференциального блока, изменение фильтра, первого и второго регуляторов позволило получить передаточные функции контуров регулирования первой производной ЧВ и ЧВ по управляющему и возмущающему воздействиям заявляемого устройства в виде:
где В1=Т ;
В3
1,48440465
10-1 
;
В4 2,34404650 10-2 
,
В5 2,28739098 10-3 
;
В6 1,37946553 10-4 
;
B7 4,15959748 10-5 
;
С1 7,54955388 10-1 
;
С2 2,84978819 10-1 
;
С3 5,37865736 10-2 
;
L6 1,37946553 10-4 
L7 4,15959748 10-6 
D1=T ;
D3 1,63175911 10-1 
;
D4 3,81759112 10-2 
;
D5 6,62917743 10-3 
;
D6 8,54410820 10-4 
;
D7 7,89443694 10-5 
;
D8 4,76092806 10-6 
;
D9 1,43559545 10-7 
;
K 3,46415077 10-2;
N7 1,37434202 10-4 
N8 4,14414819 10-6 
2 - ЧВ исполнительного органа механизма (скорость крюка с грузом);
(1)2 - первая производная ЧВ исполнительного органа механизма (первая производная скорости крюка с грузом);
Uзчв - задающее напряжение контура регулирования ЧВ электропривода;
Uзппчв - задающее напряжение контура регулирования первой производной ЧВ электропривода;
МC2 - момент сопротивления электропривода, приложенный ко второй массе;
СЕ - коэффициент электродвигателя;
LЯ - индуктивность якорной цепи электродвигателя;
р - комплексный параметр преобразования Лапласа.
Передаточной функции контура регулирования первой производной ЧВ электропривода по каналу управления "задающее напряжение контура регулирования первой производной ЧВ электропривода - первая производная ЧВ исполнительного органа механизма" соответствует максимально плоская амплитудно-частотная характеристика, т.е. данный контур отрабатывает управляющий сигнал с минимально возможной динамической ошибкой.
Передаточной функции контура регулирования ЧВ электропривода по каналу управления "задающее напряжение контура регулирования ЧВ электропривода - ЧВ исполнительного органа механизма" соответствует максимально плоская амплитудно-частотная характеристика, т.е. данный контур отрабатывает управляющий сигнал с минимально возможной динамической ошибкой.
Передаточная функция контура регулирования первой производной ЧВ электропривода по каналу возмущения "момент сопротивления электропривода, приложенный ко второй массе, - первая производная ЧВ исполнительного органа механизма" показывает, что достигнута нулевая статическая ошибка регулирования первой производной ЧВ исполнительного органа механизма.
Передаточная функция контура регулирования ЧВ электропривода по каналу возмущения "момент сопротивления электропривода, приложенный ко второй массе, - ЧВ исполнительного органа механизма" показывает, что достигнута нулевая статическая ошибка регулирования по углу поворота исполнительного органа механизма.
Следовательно, достигнуты: отсутствие статической ошибки регулирования по углу поворота исполнительного органа механизма (по положению груза), отсутствие статической ошибки регулирования ЧВ исполнительного органа механизма (скорости груза), минимально возможная динамическая ошибка ЧВ исполнительного органа механизма (скорости груза) при отработке электроприводом управляющего воздействия, минимально возможная динамическая ошибка ЧВ исполнительного органа механизма (скорости груза) при ступенчатом внешнем воздействии, предельное быстродействие контуров регулирования.
Таким образом, заявляемый электропривод механизма подъема крана обеспечивает требуемый темп разгона (торможения) груза, что позволяет достичь максимальной производительности грузоперевозок.
На чертеже представлена структурная схема электропривода механизма подъема крана. Пунктиром и курсивом выделены отличия от прототипа.
Электропривод механизма подъема крана содержит электродвигатель постоянного тока 1, подключенный к выходу тиристорного силового блока 2 и соединенный с исполнительным органом механизма через упругий трос, задатчик ЧВ 3, выход которого соединен с входом фильтра, фильтр 4 выполнен в виде позиционного четвертого порядка блока, выход которого соединен с первым входом первого регулятора, первый регулятор 5 выполнен в виде пропорционально-интегрального блока и регулирует частоту вращения исполнительного органа механизма, выход которого соединен с первым входом второго регулятора, второй регулятор 6 выполнен в виде пропорционально-интегрально-дваждыинтегрально-триждыинтегрально-четыреждыинтегрального блока и регулирует первую производную частоты вращения исполнительного органа механизма, выход которого соединен с входом системы формирования импульсов 7, подающей импульсы на открытие тиристоров, выход которой соединен с входом тиристорного силового блока, датчик напряжения 8, датчик тока 9, датчик ЧВ двигателя 10, первый пропорциональный блок 11, первый вход которого соединен с датчиком напряжения 8, а выход соединен со вторым входом второго регулятора 6, второй пропорциональный блок 12, вход которого соединен с выходом датчика тока 9, а выход соединен со вторым входом первого пропорционального блока 11, третий пропорциональный блок 13, вход которого соединен с выходом датчика ЧВ двигателя 10, а выход соединен с третьим входом первого пропорционального блока 11, триждыпозиционный дифференциально-дваждыдифференциально-триждыдифференциальный блок 14, вход которого соединен с выходом датчика тока 9, а выход соединен с третьим входом второго регулятора 6, апериодический блок 15, вход которого соединен с выходом датчика тока 9, а выход соединен с первым входом дваждыпозиционного дифференциально-дваждыдифференциального блока 16, дваждыпозиционный дифференциально-дваждыдифференциальный блок 16, выход которого соединен с четвертым входом второго регулятора 6, первый инерционно-дифференциальный блок 17, вход которого соединен с выходом датчика ЧВ двигателя 10, а выход соединен со вторым входом дваждыпозиционного дифференциально-дваждыдифференциального блока 16, дваждыпозиционный дифференциальный блок 18, вход которого соединен с выходом датчика тока 9, а выход соединен с первым входом второго инерционно-дифференциального блока 19 и первым входом дваждыпозиционного пропорционально-дифференциально-дваждыдифференциального блока 20, второй инерционно-дифференциальный блок 19, выход которого соединен с пятым входом второго регулятора 6, дваждыпозиционный пропорционально-дифференциально-дваждыдифференциальный блок 20, выход которого соединен с вторым входом первого регулятора 5, дваждыпозиционный пропорционально-дваждыдифференциальный блок 21, вход которого соединен с выходом датчика ЧВ двигателя 10, а выход соединен со вторым входом второго инерционно-дифференциального блока 19 и со вторым входом дваждыпозиционного пропорционально-дифференциально-дваждыдифференциального блока 20, четыреждыпозиционный дифференциально-дваждыдифференциально-триждыдифференциально-четыреждыдифференциальный блок 22, вход которого соединен с выходом датчика ЧВ двигателя 10, а выход соединен с третьим входом первого регулятора 5.
Электропривод механизма подъема крана работает следующим образом.
Сигнал с выхода задатчика ЧВ 3, проходя через фильтр 4, поступает на первый вход первого регулятора 5, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по сумме ЧВ исполнительного органа механизма, ее первой и второй производных (сумме скорости груза, ее первой и второй производных), измеренный косвенным путем, от блока 20, на третий вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по сумме первой, второй, третьей, четвертой производных ЧВ электродвигателя от блока 22. Первый регулятор 5 формирует зависимость ЧВ исполнительного органа (скорости груза) от времени 2(t). Сигнал с выхода первого регулятора 5 поступает на первый вход второго регулятора 6, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по первой производной тока якоря электродвигателя, измеренный косвенным путем, от блока 11, на третий вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по сумме первой, второй и третьей производных тока якоря электродвигателя от блока 14, на четвертый вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по сумме второй и третьей производных ЧВ исполнительного органа механизма (сумме второй и третьей производных скорости груза), измеренный косвенным путем, от блока 16, на пятый вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по первой производной ЧВ исполнительного органа механизма (первой производной скорости груза), измеренный косвенным путем, от блока 19. Блоки 12 и 13 участвуют в формировании сигнала, пропорционального первой производной тока якоря электродвигателя, измеренного косвенным путем. Блоки 15 и 17 участвуют в формировании сигнала, пропорционального первой производной ЧВ исполнительного органа механизма (первой производной скорости груза), измеренного косвенным путем. Блоки 18 и 21 участвуют в формировании сигнала, пропорционального ЧВ исполнительного органа механизма (скорости груза), измеряемого косвенным путем. Второй регулятор 6 формирует зависимость первой производной ЧВ исполнительного органа (первой производной скорости груза) от времени (1)2(t). Сигнал со второго регулятора поступает на вход системы формирования импульсов 7, которая подает импульсы на открытие тиристоров тиристорного силового блока 2. Время подачи импульсов, а следовательно, и напряжение, приложенное к якорной цепи электродвигателя определяется значением сигналов на выходе системы формирования импульсов 7.
Таким образом, качество управления электроприводом механизма подъема крана определяется настройкой фильтра, первого и второго регуляторов, а также блоков корректирующих обратных связей.
Используемая литература
1. Патент. РФ 2158468, МПК 6 Н 02 Р 5/06. Электропривод постоянного тока. /Ю.П.Добробаба, С.В.Нестеров, А.Ю.Чумак, О.В.Акулов // от 27.10.2000, Бюл. №30.
Формула изобретения
Электропривод механизма подъема крана, содержащий электродвигатель постоянного тока, подключенный к выходу тиристорного силового блока и соединенный с исполнительным органом механизма, последовательно соединенные задатчик частоты вращения и фильтр, первый регулятор, выход которого соединен с первым входом второго регулятора, выход которого соединен с входом системы формирования импульсов, подающей импульсы на открытие тиристоров, выход которой соединен с входом тиристорного силового блока, датчик напряжения, датчик тока, датчик частоты вращения двигателя, первый пропорциональный блок, первый вход которого соединен с датчиком напряжения, а выход соединен со вторым входом второго регулятора, второй пропорциональный блок, вход которого соединен с выходом датчика тока, а выход соединен со вторым входом первого пропорционального блока, третий пропорциональный блок, вход которого соединен с выходом датчика частоты вращения двигателя, а выход соединен с третьим входом первого пропорционального блока, апериодический блок, вход которого соединен с выходом датчика тока, первый инерционно-дифференциальный блок, вход которого соединен с выходом датчика частоты вращения двигателя, отличающийся тем, что в электропривод введены триждыпозиционный-дифференциально-дваждыдифференциально-триждыдифференциальный блок с передаточной функцией
вход которого соединен с выходом датчика тока, а выход соединен с третьим входом второго регулятора, дваждыпозиционный-дифференциально-дваждыдифференциальный блок с передаточной функцией
первый вход которого соединен с выходом апериодического блока, второй вход - с выходом первого инерционно-дифференциального блока, а выход - с четвертым входом второго регулятора, дваждыпозиционный-дифференциальный блок с передаточной функцией
вход которого соединен с выходом датчика тока, а выход - с первым входом второго инерционно-дифференциального блока и первым входом дваждыпозиционного-пропорционально-дифференциально-дваждыдифференциального блока с передаточной функцией
второй инерционно-дифференциальный блок, выход которого соединен с пятым входом второго регулятора, дваждыпозиционный-пропорционально-дифференциально-дваждыдифференциальный блок, выход которого соединен со вторым входом первого регулятора, дваждыпозиционный-пропорционально-дваждыдифференциальный блок с передаточной функцией
вход которого соединен с выходом датчика частоты вращения двигателя, а выход соединен со вторым входом второго инерционно-дифференциального блока и со вторым входом дваждыпозиционного-пропорционально-дифференциально-дважды-дифференциального блока, четыреждыпозиционный-дифференциально-дваждыдифференциально-триждыдифференциально-четыреждыдифферен-циальный блок с передаточной функцией
вход которого соединен с выходом датчика частоты вращения двигателя, а выход соединен с третьим входом первого регулятора, фильтр выполнен в виде позиционного блока четвертого порядка с передаточной функцией
выход которого соединен с первым входом первого регулятора, первый регулятор выполнен в виде пропорционально-интегрального блока, регулирующий частоту вращения исполнительного органа механизма, соединенного с электродвигателем постоянного тока через упругий трос, второй регулятор выполнен в виде пропорционально-интегрально-дваждыинтегрально-триждыинтегрально-четыреждыинтегрального блока с передаточной функцией
регулирующий первую производную частоты вращения исполнительного органа механизма.
РИСУНКИРисунок 1
