Проектирование и анализ современных систем управления лифтами на примере дипломной работы

Смысловой блок: Титульный лист, аннотация и содержание

Любая дипломная работа начинается с формальных, но обязательных элементов, которые служат ее «паспортом». Этот блок включает титульный лист, реферат (аннотацию) и оглавление. Их правильное оформление демонстрирует академическую аккуратность и позволяет быстро понять суть исследования.

Титульный лист оформляется в строгом соответствии с требованиями конкретного вуза. Оглавление (содержание) создается автоматически и должно точно отражать иерархию разделов и страниц, обеспечивая удобную навигацию по документу.

Ключевым элементом этого блока является реферат. Это сжатое изложение всей работы, которое должно дать исчерпывающее представление о проекте. В нем указываются объем работы, количество иллюстраций и таблиц, а также приводятся ключевые слова, определяющие предметную область.

Пример содержания реферата:

• Объем и структура: Пояснительная записка объемом 90 страниц машинописного текста, содержит 21 рисунок, 12 таблиц и 6 листов графического материала формата А1.
• Объект исследования: Система электропривода скоростного грузопассажирского лифта.
• Цель работы: Проектирование современной энергоэффективной системы управления лифтом на базе асинхронного двигателя с частотным регулированием, расчет ее ключевых параметров и анализ динамических характеристик.
• Результаты: Произведен выбор двигателя и преобразователя частоты, выполнен синтез регуляторов системы подчиненного регулирования, проведено моделирование переходных процессов, подтвердившее соответствие системы требованиям технического задания. Разработаны функциональная и принципиальная электрические схемы.
• Ключевые слова: СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПРИВОДА, ЛИФТОВАЯ УСТАНОВКА, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ.

Введение

Современное высотное строительство предъявляет повышенные требования к надежности, безопасности, комфорту и энергоэффективности лифтового оборудования. На этом фоне многие лифтовые системы, находящиеся в эксплуатации, морально и физически устарели. Это создает актуальную инженерную проблему: необходимость модернизации и проектирования новых систем управления на современной элементной базе.

Исторически в скоростных лифтах доминировали системы на базе двигателей постоянного тока, такие как «Генератор-Двигатель» (Г-Д) и «Тиристорный преобразователь – Двигатель постоянного тока» (ТП-ДПТ). Несмотря на хорошие регулировочные свойства, они обладают существенными недостатками:

• Сложность в обслуживании: Система «Г-Д» требует обслуживания сразу трех электрических машин.
• Наличие щеточно-коллекторного узла: Этот элемент в двигателях постоянного тока является их главным недостатком, так как подвержен износу, требует регулярного обслуживания и снижает общую надежность привода.

Современным и наиболее эффективным решением является система «Преобразователь частоты – Асинхронный двигатель» (ПЧ-АД). Она лишена указанных недостатков благодаря отсутствию щеточно-коллекторного аппарата в асинхронном двигателе и обеспечивает высочайшую плавность хода, точность остановки и значительную экономию электроэнергии.

Исходя из этого, целью данной дипломной работы является проектирование современной системы управления электроприводом для скоростного грузопассажирского лифта на основе комплекса «ПЧ-АД».

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести аналитический обзор и сравнительный анализ существующих систем электропривода лифтов.
2. Сформулировать техническое задание с конкретными параметрами лифтовой установки.
3. Рассчитать статические нагрузки и выбрать асинхронный двигатель.
4. Подобрать и обосновать выбор преобразователя частоты.
5. Разработать математическую модель и синтезировать регуляторы системы управления.
6. Провести компьютерное моделирование переходных процессов для проверки работоспособности системы.
7. Разработать комплект электрических схем.
8. Оценить экономическую целесообразность проекта.

Раздел 1. Аналитический обзор предмета исследования

Для обоснованного проектирования необходимо глубоко понимать устройство объекта и существующие технологические решения. Лифтовая установка — это сложный электромеханический комплекс, состоящий из механической части и системы управления.

Ключевые компоненты лифта:

• Кабина и противовес: Движутся по направляющим, их массы частично уравновешивают друг друга для снижения нагрузки на привод.
• Лебедка: Основной силовой узел, включающий электродвигатель, редуктор и тормозную систему.
• Тяговые канаты: Связывают кабину и противовес через шкив лебедки.
• Устройства безопасности: Ограничитель скорости, ловители, буферы, замки дверей шахты.
• Станция управления: «Мозг» лифта, который обрабатывает вызовы и управляет движением. Современные станции являются микропроцессорными.

Центральным элементом, определяющим динамические характеристики и энергоэффективность лифта, является система электропривода. Проведем их сравнительный анализ.

Сравнительный анализ систем электропривода

Выбор системы электропривода — это компромисс между стоимостью, эффективностью, надежностью и эксплуатационными расходами. Анализ показывает явное преимущество современных частотно-регулируемых систем.

Система «Генератор-Двигатель» (Г-Д)
Принцип действия основан на управлении двигателем постоянного тока (ДПТ), питающимся от собственного электромашинного генератора.

• Преимущества: Хорошая плавность регулирования скорости.
• Недостатки: Низкий КПД, громоздкость (три электромашины), высокий уровень шума, сложность обслуживания щеточно-коллекторных узлов.

Система «Тиристорный преобразователь – Двигатель постоянного тока» (ТП-ДПТ)
Более современная система, где ДПТ питается от статического тиристорного преобразователя.

• Преимущества: Компактнее системы Г-Д, более высокий КПД, хорошая плавность пуска и торможения.
• Недостатки: Главный недостаток ДПТ — щеточно-коллекторный аппарат — сохраняется. Создает помехи в сети.

Система «Преобразователь частоты – Асинхронный двигатель» (ПЧ-АД)
Наиболее современное решение, использующее надежный и простой асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором, управляемый преобразователем частоты.

• Преимущества:
  • Высокая надежность: Отсутствие щеток и коллектора в двигателе.
  • Комфорт: Обеспечивает исключительную плавность хода и высокую точность остановки (до ±10 мм).
  • Энергоэффективность: Возможность рекуперации энергии в сеть при торможении, что значительно снижает энергопотребление.
  • Низкий уровень шума и простота обслуживания.
• Недостатки: Более высокая начальная стоимость по сравнению со старыми системами.

Вывод: Для проектирования современного, надежного и экономичного лифта система «ПЧ-АД» является безальтернативным выбором, полностью отвечающим требованиям к комфорту, безопасности и энергоэффективности.

Раздел 2. Техническое задание и постановка цели проектирования

На основе аналитического обзора формулируются конкретные исходные данные для проектирования. Этот раздел является фундаментом для всех последующих инженерных расчетов. Проектируется система электропривода для скоростного грузопассажирского лифта.

Исходные данные лифтовой установки:

• Тип лифта: Скоростной грузопассажирский.
• Грузоподъемность: 1000 кг.
• Номинальная скорость движения кабины: 2.5 м/с.
• Высота подъема: 100 м.
• Режим работы: Повторно-кратковременный.

Требования к системе электропривода:

Система должна обеспечивать не только перемещение груза, но и высокий уровень комфорта и безопасности для пассажиров.

• Диапазон регулирования скорости: Не менее 1:100.
• Точность остановки кабины: Не хуже ±10 мм от уровня этажной площадки.
• Параметры комфорта:
  • Допустимое ускорение: не более 1.2 м/с².
  • Допустимый рывок: не более 1.5 м/с³.
• Энергоэффективность: Система должна обеспечивать рекуперативное торможение для возврата энергии в сеть (соответствие классу энергоэффективности А).

Эти численные параметры являются целевыми показателями, соответствие которым необходимо будет доказать с помощью расчетов и моделирования.

Раздел 3. Расчет статических нагрузок и выбор главного двигателя

Первый практический этап проектирования — выбор «сердца» системы, электродвигателя. Выбор осуществляется на основе расчета нагрузок, действующих на валу двигателя в различных режимах работы лифта.

1. Построение тахограммы движения.
Тахограмма — это график зависимости скорости движения кабины от времени. Она визуализирует весь цикл работы: разгон с заданным ускорением и рывком, равномерное движение, торможение и паузу. Этот график является основой для расчета динамических и статических нагрузок.

2. Расчет статических моментов и мощностей.
Расчет выполняется для наихудших сценариев, чтобы гарантировать работоспособность привода в любых условиях. Основные режимы:

• Подъем кабины с номинальным грузом.
• Спуск кабины с номинальным грузом.
• Подъем пустой кабины.
• Спуск пустой кабины.

В расчетах учитываются масса кабины, масса противовеса (обычно равна массе кабины плюс половина грузоподъемности), КПД редуктора и полиспастной системы.

3. Предварительный выбор двигателя.
На основе максимальной расчетной статической мощности производится предварительный выбор нескольких подходящих моделей асинхронных двигателей из каталога производителя.

4. Проверочный расчет.
Для выбранных моделей выполняются два ключевых проверочных расчета:

• Проверка по нагреву: Определяется эквивалентный момент за весь цикл работы и сравнивается с номинальным моментом двигателя. Это гарантирует, что двигатель не будет перегреваться в повторно-кратковременном режиме.
• Проверка по перегрузочной способности: Максимальный динамический момент (возникающий при разгоне) сравнивается с максимальным (критическим) моментом двигателя. Это гарантирует, что у двигателя хватит «сил» для разгона лифта без срыва в опрокидывание.

На основе всех расчетов принимается окончательное решение о выборе конкретной марки двигателя, которая с запасом удовлетворяет всем требованиям.

Раздел 4. Выбор и обоснование преобразователя частоты

После выбора двигателя необходимо подобрать для него совместимое устройство управления — преобразователь частоты (ПЧ). ПЧ должен не только соответствовать двигателю по мощности, но и обладать необходимым функционалом для реализации требуемых алгоритмов управления.

Требования к преобразователю частоты:

1. Соответствие по силовым параметрам: Номинальное напряжение и ток ПЧ должны быть не ниже номинальных параметров выбранного двигателя.
2. Метод управления: Обязательно наличие векторного управления с обратной связью по скорости (с помощью энкодера). Только этот метод обеспечивает необходимую точность регулирования скорости и момента для лифтовых применений.
3. Функция рекуперации: Для соответствия классу энергоэффективности А ПЧ должен иметь возможность рекуперативного торможения, то есть возврата энергии, вырабатываемой двигателем в тормозном режиме, обратно в питающую сеть.
4. Диапазон регулирования частоты: Должен обеспечивать требуемый диапазон регулирования скорости двигателя.
5. Встроенные защиты: Наличие защит от перегрузки по току, перенапряжения, перегрева и т.д.

Выбор ПЧ — это не просто подбор по мощности. Это выбор инструмента, который позволит реализовать плавное и точное движение. Современные лифтовые ПЧ имеют специализированные функции, такие как автоматическое определение параметров двигателя, управление механическим тормозом и реализация S-образной кривой разгона/торможения для максимального комфорта.

На основе этих требований и параметров выбранного двигателя из каталогов ведущих производителей (например, Siemens, Danfoss, Schneider Electric) подбирается конкретная модель ПЧ. Выбор обосновывается сравнением технических характеристик нескольких подходящих вариантов.

Раздел 5. Разработка математической модели системы «ПЧ-АД»

Чтобы проанализировать и настроить систему управления до ее физической реализации, необходимо создать ее «виртуального двойника» — математическую модель. Модель представляет собой систему дифференциальных уравнений, описывающих все электромагнитные и механические процессы в электроприводе.

Математическая модель системы состоит из трех основных частей:

1. Модель асинхронного двигателя. Для целей анализа и синтеза управления сложная система уравнений двигателя представляется в ортогональной системе координат d-q, которая вращается синхронно с вектором потокосцепления ротора. Это позволяет управлять моментом и потоком двигателя как независимыми переменными, подобно двигателю постоянного тока.
2. Модель преобразователя частоты. В большинстве случаев для синтеза регуляторов ПЧ можно представить в виде идеального безынерционного звена, которое формирует на выходе именно то напряжение, которое задает система управления.
3. Уравнение механического движения. Описывает динамику лифтовой установки по второму закону Ньютона. Оно связывает электромагнитный момент, развиваемый двигателем, с моментом статической нагрузки на валу и динамическим моментом, определяемым моментом инерции системы и угловым ускорением.

Все эти уравнения объединяются в единую структурную схему, которая ложится в основу для моделирования в программных средах, таких как MATLAB/Simulink. Использование классических подходов, например, метода переменных состояния, позволяет получить точное описание поведения системы.

Раздел 6. Синтез системы подчиненного регулирования координат электропривода

Готовая математическая модель — это инструмент для следующего ключевого шага: проектирования (синтеза) регуляторов. Цель синтеза — рассчитать такие параметры регуляторов, которые заставят систему работать в соответствии с техническим заданием: быстро, точно и без нежелательных колебаний.

В современных электроприводах используется структура подчиненного регулирования. Она имеет иерархическое построение:

• Внешний контур регулирования скорости. Этот регулятор получает задание на скорость (от тахограммы) и сравнивает его с реальной скоростью двигателя (от энкодера). На выходе он формирует задание для внутреннего контура — требуемый электромагнитный момент.
• Внутренние контуры регулирования тока (момента). Эти регуляторы (обычно для компонент тока d и q) работают значительно быстрее контура скорости. Они получают задание от регулятора скорости и управляют напряжением, подаваемым на двигатель, так, чтобы обеспечить требуемый ток (и, следовательно, момент).

Такая структура обеспечивает высокое быстродействие и позволяет независимо настраивать динамику по моменту и скорости.

Сам процесс синтеза включает:

1. Линеаризацию модели для упрощения расчетов.
2. Расчет параметров регуляторов (обычно ПИ-регуляторов) с использованием стандартных методов, например, настройки на модульный или технический оптимум. Эти методы позволяют получить апериодические (без перерегулирования) переходные процессы с заданным быстродействием.

Результатом этого этапа являются конкретные числовые значения коэффициентов усиления для ПИ-регуляторов скорости и токов, которые будут «зашиты» в систему управления.

Раздел 7. Моделирование и анализ переходных процессов в системе

Теоретически рассчитанные регуляторы должны быть проверены на практике. Для этого используется компьютерное моделирование — самый важный этап, доказывающий работоспособность и качество спроектированной системы.

В среде MATLAB/Simulink собирается полная модель электропривода, включающая модель двигателя, преобразователя, механики лифта и синтезированных ПИ-регуляторов. Затем проводится симуляция основных режимов работы:

• Пуск: Отработка разгона до номинальной скорости.
• Установившееся движение: Работа с постоянной скоростью.
• Торможение: Отработка замедления и точной остановки.

В результате моделирования строятся графики переходных процессов для ключевых переменных:

• Скорость двигателя: Оценивается время разгона и торможения, плавность выхода на заданную скорость, отсутствие перерегулирования (колебаний).
• Электромагнитный момент: Анализируется, не превышает ли момент максимально допустимые значения.
• Токи статора: Проверяется, остаются ли токи в пределах номинальных значений.

Переходные процессы — это ключевой показатель качества электропривода. Их анализ позволяет наглядно убедиться, что движение лифта будет комфортным (плавный разгон без рывков) и безопасным (момент и токи не выходят за пределы допустимого), а система в целом соответствует всем требованиям технического задания.

Положительные результаты мо��елирования являются финальным подтверждением корректности всех предыдущих расчетов и выбора оборудования.

Раздел 8. Разработка функциональной и принципиальной электрической схем

После того как система спроектирована и проверена на модели, ее необходимо представить в виде стандартной технической документации — электрических схем. Этот раздел соответствует графической части дипломного проекта, которая обычно выполняется на листах формата А1.

Разрабатываются два основных типа схем:

1. Функциональная схема.
Эта схема верхнего уровня. Она показывает основные функциональные блоки системы и логические связи между ними, не вдаваясь в детали конкретных соединений. Блоки на схеме:

• Силовая часть (сеть, выключатель, ПЧ, двигатель).
• Система управления (микропроцессорный контроллер).
• Датчики (энкодер скорости, датчики положения кабины).
• Цепи безопасности (кнопка «Стоп», контакты дверей, ограничитель скорости).
• Органы управления (кнопки вызова и приказов).

Функциональная схема нужна для понимания общей логики и архитектуры системы.

2. Принципиальная электрическая схема.
Это подробная схема, на которой изображены все без исключения элементы системы и все электрические соединения между ними. Здесь указываются маркировка всех компонентов: автоматических выключателей, контакторов, реле, клемм, а также маркировка проводов. Принципиальная схема является основным документом для монтажа, наладки и ремонта оборудования.

К схеме обязательно прилагается перечень элементов — таблица, в которой перечислены все компоненты, их позиционные обозначения на схеме, наименования и технические характеристики.

Раздел 9. Мероприятия по охране труда и окружающей среды

Проектирование любой технической системы должно обязательно включать анализ вопросов безопасности на всех этапах ее жизненного цикла: от монтажа и наладки до эксплуатации и утилизации.

Анализ опасных и вредных производственных факторов:
К основным рискам при обслуживании лифтового оборудования относятся:

• Поражение электрическим током.
• Травмы от движущихся частей (лебедка, кабина, противовес).
• Падение с высоты (при работах в шахте).

Технические меры безопасности, заложенные в проект:
Для минимизации рисков в проекте предусмотрен комплекс мер:

• Защита от поражения током: Заземление всех металлических частей, использование автоматических выключателей и устройств защитного отключения.
• Механические блокировки: Двери шахты невозможно открыть, если на этаже нет кабины; движение кабины невозможно при открытых дверях.
• Электрические блокировки: Дублируют механические и разрывают цепь управления при возникновении нештатной ситуации.
• Ограждения: Все вращающиеся части лебедки закрыты защитными кожухами.
• Ключевые элементы безопасности: Проект опирается на стандартные, сертифицированные узлы, такие как ограничитель скорости и тормозная система лебедки.

В этом же разделе разрабатывается краткая инструкция по технике безопасности для обслуживающего персонала и рассматриваются вопросы электромагнитной совместимости оборудования (ПЧ является источником помех) и последующей утилизации электронных компонентов и смазочных материалов.

Раздел 10. Технико-экономическое обоснование проекта

Технически совершенный проект должен быть также экономически целесообразным. Этот раздел доказывает, что предложенное решение не только эффективно работает, но и выгодно с финансовой точки зрения.

Расчет включает несколько этапов:

1. Расчет капитальных затрат.
Составляется смета, включающая стоимость всего основного и вспомогательного оборудования:

• Электродвигатель.
• Преобразователь частоты.
• Станция управления, кабели, пускатели, датчики.

Также сюда включаются затраты на монтаж и пусконаладочные работы.

2. Оценка эксплуатационных расходов.
Рассчитываются годовые затраты на эксплуатацию, основной составляющей которых является стоимость электроэнергии. Здесь ключевую роль играет экономия электроэнергии, достигаемая за счет использования ПЧ с функцией рекуперации. В тормозных режимах (спуск тяжелой кабины или подъем легкой) двигатель работает как генератор, и преобразователь возвращает выработанную энергию в сеть, что снижает общее потребление на 25-40% по сравнению с нерекуперативными системами.

3. Сравнительный анализ и расчет срока окупаемости.
Полученные суммарные затраты (капитальные + эксплуатационные) сравниваются с аналогичными показателями для альтернативного, более старого решения (например, на базе привода постоянного тока). Хоть начальные затраты на систему «ПЧ-АД» выше, за счет существенной экономии на электроэнергии и обслуживании рассчитывается срок окупаемости дополнительных инвестиций.

В завершение делается оценка научно-технического уровня (НТУ) проекта, где подчеркивается его соответствие современным тенденциям в области энергосбережения и автоматизации. Вывод об экономической целесообразности проекта подводит черту под всей проделанной работой.

Заключение и выводы

В ходе выполнения дипломной работы была решена комплексная инженерная задача по проектированию современной, энергоэффективной и надежной системы управления электроприводом скоростного грузопассажирского лифта.

На основе проделанной работы можно сформулировать следующие основные выводы:

1. Проведенный анализ показал, что система «Преобразователь частоты – Асинхронный двигатель» является наиболее перспективным решением, превосходя устаревшие системы «Г-Д» и «ТП-ДПТ» по всем ключевым показателям надежности, комфорта и экономичности.
2. На основании технического задания и расчета статических нагрузок был выбран асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, полностью удовлетворяющий требованиям по мощности и перегрузочной способности.
3. Подобран современный преобразователь частоты с функцией векторного управления и возможностью рекуперативного торможения, что обеспечивает высокие динамические показатели и энергоэффективность класса А.
4. Разработана математическая модель и на ее основе синтезированы регуляторы системы подчиненного регулирования, настроенные на технический оптимум для обеспечения апериодических переходных процессов.
5. Компьютерное моделирование в среде MATLAB/Simulink полностью подтвердило работоспособность спроектированной системы. Графики переходных процессов показали, что время разгона, плавность хода и точность отработки скоростного режима соответствуют требованиям технического задания.
6. Технико-экономическое обоснование доказало, что, несмотря на более высокие начальные вложения, проект является экономически целесообразным за счет значительной экономии электроэнергии в процессе эксплуатации.

Таким образом, можно констатировать, что поставленная цель дипломной работы — спроектировать современную и эффективную систему управления лифтом — полностью достигнута. Полученные результаты могут быть использованы как основа для модернизации существующих лифтовых парков и проектирования новых подъемных установок.