Министерство сельского хозяйства республики казахстан

109
Для  разных  поперечных  сечений    S,  м
2
  зазора  заслонки  устройства  регулирования 
зернового потока показанной в таблице 1, определяем потока зерновых материаловq, м
3
/c, 
поступающий  на  рабочий  орган  агрегата  по  формуле[2, 3]
,
h
a
q

  где: 
g
S
а
2

 - 
постоянная величина. Значение тока I
s
 цепи статора электродвигателя зависит от величины 
потока зерновых материалов. На основе этих экспериментально найденных значений токов 
определяем номинальный момент электродвигателя 
]
)
(
)
/
[(
2
)
(
2
'
2
1
2
'
2
1
'
2
2
x
x
s
r
r
fs
r
mpI
М
s





            (1) 
где: 
m
-  число  фаз  статора; 
р
-  число  пар  полюсов;
'
2
'
2
, x
r
 - активное  и  индуктивное 
сопротивления  обмотки  ротора; 
1
r
 - активное  сопротивление  обмоток  статора; 
1
х
 - 
индуктивное сопротивление обмоток статора;
s
- скольжение.
Определены  номинальные  моменты  электродвигателя  от  изменения  сечений  зазора 
заслонки устройства регулирования производительности, которые приведены на рисунке 1
. 
Отображенные  на  рисунке 1,вместе  с  линией  тренда,  значения  величины 
коэффициента детерминации R
2
 характеризует качество установленной зависимости.  Для        
использованной    полиноминальной аппроксимации приведенный коэффициентблизок к 
единице и является статистически значимыми на уровне 0,01. 
Рисунок 1 – Влияние сечение зазора заслонки устройства регулирования 
производительности на момент нагрузки электропривода агрегата 
Номинальный  режим  электродвигателя  характеризуется  током 21 А.  Поэтому 
загруженность электродвигателя должна быть в пределах 18-21 А. Если меньше 18 А то 
электродвигатель  будет  неполностью  загружен,  а  если  больше 21 А  то  тогда  он  будет 
перегружаться, греться и уменьшать частоту вращения, что может привести к перегоранию 
его  обмотки.  Поэтому  для  поддержания  номинального  режима  необходимо 
автоматизировать регулирование нагрузки электропривода. Для этого необходимовыбрать 
конструкцию  устройства  регулирования  производительности  зернодробилки  ипостроить 
математическую модель, описывающую зависимость момента нагрузки электропривода от 
сечения зазора устройства регулирующего производительность. 
В  качестве  регулирующего  устройства  производительности  выбраны  следующие: 
задвижка реечная с электрическим приводом ЗРЭ-200; задвижка с электроприводом типа 
У8-ТЭА-16;  задвижка  реечные  с  электроприводом  У8-ТЭА-16.  Далее,  из  этих  устройств 
0,7 
1,4 
0,4 
2,8 

110
регулирования определяется наиболее эффективная задвижка по групповым показателям 
качества  системы  для  регулирования  зернового  потока.  Групповые  показатели 
определяются  по  техническим  параметрам  для  каждого  вида  задвижки.  Для  этого 
приведены краткие описания характеристики параметров конструкций задвижек.  
ЗРЭ-200 –представляет собой сварной прямоугольный корпус, внутри которого по 
направляющим перемещается шибер. В нижней части шибера закреплена зубчатая рейка, 
которая  сопрягается  с  шестерней,  насаженной  на  приводной  вал,  соединенный  с  мотор-
редуктором.  Для  ограничения  хода  шибера  в  задвижке  установлены  два  концевых 
выключателя,  при  помощи  которых  также  можно  регулировать  величину  перекрытия 
шибером  рабочего  окна.  В  случае  аварийного  отключения  электричества  в  задвижке 
предусмотрено  закрытие  заслонки.  Благодаря  применению  подшипников,  в  качестве 
направляющих, 
обеспечивается 
плавное 
перемещение 
шибера, 
уменьшается 
сопротивление  и,  как  следствие,  меньшее  потребление  электроэнергии  по  сравнению  с 
аналогами, а также повышается ресурс эксплуатации задвижек. 
Основными  узлами  У8-ТЭА-16  являются  корпус  механизма  заслонки  и 
электропривод.  Корпус  сварен  из  листовой  стали,  в  средней  части  имеет  прорезь  и 
направляющие для заслонки. К торцевым частям корпуса приварены фланцы из угловой 
стали. Механизм задвижки включает в себя: заслонку с рейками, вал привода заслонки с 
шестернями  и  соединительной  муфтой.  Приводится  в  движение  от  мотор-редуктора 
мощностью 0,44 кВт. 
Основными  частями  задвижка  У8-ТЭА-16  являются:  сварной  корпус,  шибер  с 
приваренной  к  нему  рейкой,  шестерня,  штурвал  с  осью.  Корпус  задвижка  представляет 
собой  сварную  коробку  из  листовой  стали  с  фланцами:  верхним  и  нижним.  Шибер 
перемещается при помощи зубчатой рейки и шестерни, закрепленной на оси штурвала. 
Данные описания технических характеристик обобшенном виде для вышеуказанных 
устройств сведены в таблицу 2. 
Таблица 2 – Технические характеристики устройство регулирования производительности 
Характеристики 
ЗРЭ-200 
У8-ТЭА-16 
УЗР-ОО 
1
2
3
4
Мощность привода, 
кВт 
0,25
0,44
1,0
Сечение отверстий, м
2
0,4
0,4
0,45
Напряжение, В
220
220
220
Время открытия 
задвижка, с 
6,0
6,5
6,0
Аварийное отключение 
заслонка 
польностью 
закрывается 
заслонка 
остается 
открытым 
заслонка остается 
открытым 
Высота, мм
150
140
145
Масса, кг
47
49
47
Стоимость задвижки, 
тг 
80000
92442
221400
Эффективность работы задвижки с электроприводом является функцией групповых 
показателей качества системы 
).
,
,
,
(
тн
эн
т
н
э
k
k
k
k
f
k

(1) 

111
Групповые  показатели  в  свою  очередь  определяются  единичными  показателями 
качества:надежность 


;
зз
н
k
k

технические 
показатели 


;
,
,
. р
г
mн
т
т
р
s
m
k

энергетические показатели 


.
,
э
э
эн
u
Р
k

В  качестве  показателя  надежности  работы  устройства  регулирования  принимаются 
аварийное  отключение 
з
з
k
.
  и  время открытия  задвижкиt
з
.При  аварийных  отключениях  в
виде  отключения  электроэнергии  заслонка  польностью  закрывается  и  тем  самым 
поступление  зернового  потока  на  рабочий  орган  агрегата  прекращается,  что  исключает 
возникновение  перегрузки  работающего  агрегата.Тем  самым  эти  показатели  позволяют 
улучшить коэффициент технической готовности всей системы агрегата. 
Техническими показателями являются рабочая масса m
m
, сечение отверстий заслонки 
s
тн
 и габаритные размеры 
.
.
. р
г
р
 Устройство регулирования должно иметь минимальные 
габаритные  размеры,  простую  и  прочную  конструкцию,  а  также  должно  быть 
приспособлено к применению автоматического управления. 
Энергетические показатели выражают способность объекта потреблять мало энергии 
с  высокой  эффективностью  и  приспособленность  к  достижению  оптимальных  затрат. 
Соответствующими  единичными  показателями  являются  потреляемая  мощность    Р
э
  и 
рабочее напряжение u
э
. 
Экономический показатель стоимость устройства  k
c
 в данном случае имеет важное 
значение для выбора варианта, ему присвоен значимый вес, который приведен в таблице 3. 
Таким  образом,  зависимость (1) была  сформирована  эвристическим  методом,  в 
частности, методом экспертных оценок в виде следующей функции 



m
i
i
вi
э
k
c
k
1
'
.
(2) 
здесь: 
'
i
k
-  единичный  показатель  качества; 
вi
с
-  весовые  коэффициенты  или  «веса» 
единичных показателей, 
.
,
1
,
0
,
1
1





m
i
вi
вi
m
i
c
c
 
В состав экспертов были включены специалисты, имеющие большой опыт разработки 
и  эксплуатации  систем,  близких  к  рассматриваемой.  Экспертиза  осуществлялось 
индвидуально методом попарного сопоставления показателей. 
Среднее  арфиметическое  значение  веса  i  -й  характеристики  по  мнениям  всех 
экспертов определяют по формуле: 
,
)
,
(
)
(
э
m
i
n
i
j
k
i
k



(3) 
где: 
)
,
(
i
j
k
 - веса или ранги показателей качества; i – номер эксперта (i=1, 2…, n
э
); j – 
номер показателя (j=1, 2,…,m). 
Полагаем, что истинное значение исследуемой величины находится внутри диапазона 
оценок и что обобщенное коллективное мнение является вполне достоверным. 
Степень согласованности экспертов оценивается статистическими и эвристическими 
показателями.  Статистическими  показателями  являются  дисперсия  и  коэффициент 
вариации. 
По каждому оцениваемому фактору j дисперсия весов оценок экспертов 

112
,
)]
(
)
,
(
[
1
2
2
m
i
k
i
j
k
m
i





(4) 
и коэффициент вариации j-го показателя 
.
)
(i
k
v
i
j



(5) 
Результаты обработки мнений экспертов даны в таблице 3. 
Таблица 3 – Результаты ранжирования показателей эффективности системы регулирования 
устройства производительности 
Пара
метр 
Мощ-
ность  
привода, 
кВт 
Сече-
ние  
отверс
тий, м
2
 
Нап-
ряже
ние, В 
Время 
открытия 
Задвиж-
ка, с 
Аварий-
ное  
отключе
ние 
Вы-
сота, 
мм 
Мас-
са, кг 
Стои-
мость  
Задвиж-
ки, тг 
Р
э
 
s
m
 
u
э
 
t
з
 
k
зз
 
р
г.р
 
m
m
k
c
 
Ранг 
1 2 
3 4  5 6 
7 8 
Вес 0,10 0,16 
0,06 0,20  0,27 0,05 
0,05 0,11 
Тогда целевая функция (1) запишется как 









ci
в
mi
в
i
р
г
в
ззi
в
зi
в
зi
в
mi
в
эi
в
эi
k
C
m
С
р
С
k
С
t
C
u
C
s
С
Р
C
k
8
7
.
.
6
5
4
3
2
1
 
.
*
11
,
0
*
05
,
0
*
05
,
0
*
27
,
0
*
20
,
0
*
06
,
0
*
16
,
0
*
10
,
0
.
.
ci
mi
i
р
г
ззi
зi
зi
mi
эi
k
m
р
k
t
u
s
P








(6)    
Затем  параметры  каждого  регулирующего  устройства  оцениваются  экспертами  по 
десятибалльной шкале, результаты которых приведены в таблице 4. 
Таблица 4 – Результаты оценки параметров регулирующих устройств по десятибалльной 
шкале 
№ 
Характеристики 
Вес 
ЗРЭ-200
У8-ТЭА-16 
УЗР-ОО 
1 
Мощность привода, кВт
0,10 8
7
6
2 
Сечениеотверстий, м
2 
0,16 10 
10 
8 
3 
Напряжение, В
0,06 
4
4
4
4 
Время открытиязадвижка, с 0,20 10 
7 
10 
5 
Аварийноеотключение
0,27 
10
3
3
6 
Высота, мм
0,05 
7 
9
8
7 
Масса, кг
0,05 
8 
6 
8
8 
Стоимость задвижки, тг
0,11 
10
6
5

113
Далее  необходимо  наши  баллы  умножить  на  вес  данного  параметра.  Результаты 
определения эффективности устройства регулирования производительности приведены в 
таблице 5. 
Таблица 5 – Расчет  суммарных  весов  параметров  для  каждого  устройства 
регулирования производительности 
№ 
Характеристики 
Вес 
ЗРЭ-200 
У8-ТЭА-16 
УЗР-ОО 
1 
Мощность  
привода, кВт 
0,10 
8*0,10=0,8 
7*0,10=0,7 
6*0,10=0,6 
2 
Сечение  
отверстий, м
2 
0,16 
10*0,16=1,60 
10*0,16=1,28 
8*0,16=1,28 
3 
Напряжение, В 0,06  7*0,06=0,42 
7*0,06=0,42  7*0,06=0,42 
4 
Время открытия  
задвижка, с 
0,20 10*0,20=2 
7*0,20=1,4 
10*0,20=2 
5 
Аварийное  
отключение 
0,27 
10*0,27=2,7 3*0,27=0,81 
3*0,27=0,81 
6 
Высота, мм 0,05 
7*0,05=0,35  9*0,05=0,45 8*0,05=0,40 
7 
Масса, кг 0,05 
8*0,05=0,4  7*0,05=0,35 
8*0,05=0,40 
8 
Стоимость  
задвижки, тг 
0,11 10*0,11=1,1 
7*0,11=0,77 
6*0,11=0,66 
Сумма
1 
9,37
6,18
6,57
Результаты  расчета  суммарных  весов  параметров  для  каждого  устройства 
регулирования производительности показывают, что задвижка маркой ЗРЭ-200 оказалась 
самым эффективной.  
Будем  исследовать  изменение  потокаq,  м
3
/c  зернового  материала,  выходящего  из 
бункера в зависимости от площади сечения S, мм
2
 зазора заслонки, толщины высоты h, м 
материала.Поток на выходе q показывает, поток зернового материала, вытекает из бункера 
за 1 с – это нагрузка. 
Если  разность  потоков  постоянна  в  течение  интервала  времени 
,
t

  то
.
)
(
)
(
)
(
t
h
t
q
t
Q
t
S




 В общем случае нужно использовать интеграл 




t
dt
t
q
t
Q
h
t
S
0
.
))
(
)
(
(
1
)
(
(7) 
Пусть  в  момент  t=0площадь  сечения  зазора заслонки  равна  заданному  значению,  а 
входной и выходной потоки равны (Q(0)=q(0)=q
0
), так что уровень не меняется. Этот режим 
мы  принимаем  за  номинальный  режим  работы  агрегата.Для  того,  чтобы  получить 
уравнение в отклонениях, представим потоки в виде 
),
(
)
(
0
t
Q
q
t
Q



),
(
)
(
0
t
q
q
t
q



(8) 
где: 
)
(t
Q

  и 
)
(t
q

 - отклонения  зерновых  потоков  от  номинального  режима.  Тогда 
опуская знак приращения 
,

 можно записать модель управления агрегата в форме  



t
dt
t
q
t
Q
h
t
S
0
.
))
(
)
(
(
1
)
(
(9) 
Заметим, что эта модель может быть записан как диференциальное уравнение 



t
t
q
t
Q
h
dt
t
dS
0
)].
(
)
(
[
1
)
(
(10) 

114
В  качестве  обратной  связи  мы  будем  использовать  сигнал  с  датчика  тока.  Ошибка 
управления вычисляется как разница между заданным и измеренным током 
).
(
)
(
)
(
0
t
I
t
I
t
е
s


                                                                 (11) 
Для проведения предварительных опытов, по поверке возможности реализации 
предлагаемого способа регулирование нагрузки электропривода, нами разработана 
принципиальная электрическая схема стенда, которая представлена на рисунке 2.Рис. 2 - 
Принципиальная электрическая схема стенда: 1 – персональный компьютер;  
2 – устройства регулирования производительности; 3 – зернодробилка;     
 4 – микроконтроллер; М1–асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым 
ротором; М2 –  однофазный асинхронный электродвигатель; КМ – пускатель; SB1, SB2 – 
кнопки; QF – автомат; А1 – амперметр; V1 – вольтметр; ДТ – датчик тока; HL – 
сигнальная лампа. 
 
Функциональная схема стаблизации максимального момента приведена на рисунке 3, 
где:  У - усилитель;  ЛК – логический  контроллер;  ДТ – датчик  тока;  М1  и  М2  двигатель 
состоящего  из  двух  частей.  Поскольку  нас  интересует  регулирование  тока  статора    I
s
  и 
момента Mпри заданных u
f
, f
s
, то выход на скорости не показан.
 
 
Рисунок 3 - Функциональная схема стаблизации максимального момента в функции тока 
статора: а – функциональная схема; б – структурная схема в статических режимах 

115
Для  эффективного  управления  моментом  нагрузки  электроприводанеобходимо 
стабилизироватьток  статора  электродвигателя  с  помощью  обратной  связью  датчиком  по 
току, при котором обеспечивается требуемая производительность агрегата. 
Определяем  стабилизированный  момента  нагрузки  электропривода  агрегата  с 
использованием информации о токе статора 
*
2
2
*
2
2
)
/
(
2
r
r
r
r
r
s
sн
r
s
f
r
x
f
r
I
f
px
m
М



(12) 
где:
s
m  - число  фаз  статора; 
р
-  число  пар  полюсов; 
r
х
 - полное  индуктивное 
сопротивление  контура  ротора  при  разомкнутом  контуре  статора; 
sн
f
-  относительная 
частота  тока  статора;
r
r
 - активное  сопротивление  обмоток  ротора; 
*
r
f
-  абсолютная 
частоты тока ротора;  
Относительная частота тока статора 
н
sн
f
f
f
1
1
/

(13) 
где: 
1
f
 - частота тока статора, Гц; 
н
f
1
- номинальное значение частоты тока статора, Гц.
Абсолютная частота тока ротора 
н
н
r
f
f
f
1
2
1
1
1
*
/
/
)
(










(14) 
где: 

 -  абсолютное  сколжение  ротора; 
н
1

-  синхронная  скорость  ротора  при 
номинальной частоте; 
2
f
 частота тока ротора, Гц. 
Структурная схема контура тока в статическом режиме приведена на рисунке 2, б, где: 
a
к
к
u
Е
k



 - коэффициент  передачи  контроллера;
s
s
дi
U
I
k



/
-  коэффициент  передачи 
двигателя по току;
s
i
i
I
u
k



/
 - коэффициент передачи датчика тока.  
На основании структурной схемы для тока статора можно записать 
,
1
.
.
.
.
i
дi
к
о
у
з
дi
к
п
у
s
k
k
k
k
u
k
k
k
I


(15) 
где: 
.
.
.
.
,
о
у
п
у
k
k
- коэффициенты усиления усилителя по прямому входу и входу обратной 
связи. 
Подставляя (12)...(15) фактические  исходные  данные  электропривода  агрегата 
х
r
=1,521 Ом, 
1
f
=50 Гц,
н
f
1
=50 Гц, 
*
r
f
=50 Гц, 
*
r
f
=0,02,
1

=153,3 рад/c,

=149 рад/c,
r
r
=19
Ом,
к
Е

=10 В, 
a
u

=12,5 В, 
дi
k
=0,8, 
s
I

=6 A, 
s
U

=7,5 В, 
i
k
=0,8, 
i
u

=4,8 В определяем 
следующие параметры:   М
15
=0,007 Нм,k
у.п15
=0,82
, 
k
к15
=0,80,k
у.о15
=0,80, u
з15
=0,80,М
21
=0,014 
Нм,k
у.п.
=1,0,  k
к
=0,80,  k
у.о.
=0,96,М
27
=0,023  Нм,k
у.п.
=1,22,  k
к
=0,80,  k
у.о.
=1,0,   М
30
=0,028  Нм, 
k
у.п.
=1,1,    k
к
=0,80,  k
у.о.
=1,2, I
s15
=0,71, I
s21
=1,0, I
s27
=1,28, I
s30
=1,40.На  основе  полученных 
данных, было построено изменение момента нагрузки электропривода во времени, которое 
приведено в рисунке 4. 
Исследованием  полученной  зависимости  установлено,  что  изменение  момента 
нагрузки  электропривода  во  времени  зависит  исключительно  от  потока  зернового 
материала, 
поступающего 
через 
сечении 
зазора  устройство 
регулирующего 
производительности.Так  как  если  сечение  зазора  S=0,20м
2
  и  поток  зернового  материала 
q=0,63 м
3
/c, то момент М
30
=2,8 Нм и ток статора I
c
=30 A. Тогда для разных сечений зазора 
заслонки составляет: S=0,15 м
2
 - q=0,46 м
3
/c, М
27
=2,8 Нм, I
c
=30 A: S=0,1 м
2
 - q=0,32 м
3
/c, 
М
21
=1,4 Нм, I
c
=21 A; S=0,05 м
2
 - q=0,15 м
3
/c, М
15
=1,4 Нм, I
c
=15 A. 

 
116
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 4–Изменение момента нагрузки электропривода агрегата во времени 
 
При  этой  системеуправления,  на  рабочий  орган  подается  поток  зернового 
материаладо достижения заданного значения  тока статора21А, после чего регулирование 
потока  прекращается.  Несомтря  на  это,  из-за  транспортного  запаздывания  ток  статора 
электродвигателя  какое-то  время  на  величину 

  (секундах)  продолжает  нарастать  до 
значение 22 А, что приводит к перегреву электродвигателя.Затем после истечения времени 
запаздывания ток статора начинает уменьшаться. При достижении тока 18 А регулирование 
потока  прекрашается,  но  и  здесь  из-за  транспортного  запаздывания  ток  продолжает 
уменьшаться до значение 15 А, что приводит к неполной загрузке агрегата.Таким образом, 
при  позиционном  законе  регулирования  возможны  значительные  колебания  момента 
нагрузки электропривода около заданного значения. 
Этот  недостаток  можно  уменьшить  или  даже  вовсе  устранить,  применяя 
пропорционально-интегрально-диференциальный закон регулирования (ПИД закон). ПИД 
предполагает  уменьшение  зернового  потока,  подаваемого  на  рабочий  орган  агрегата,  по 
мере  приближения  тока  статора  электродвигателя  к  номинальному  значению.  Зерновой 
поток,  проходящий  через устройство  регулирования  производительности,  выраженный  в 
процентах от его максимального потока, рассчитвается по формуле 
)
1
(
100
1
0






dt
dI
kd
Idt
k
I
k
q
i
p
                                                        (16) 
где:  k
p
, k
i
, k
d
–пропорциональный,  интегральный  и  дифференциальный  коэффициенты 
регулирования соответственно (ПИД коэффициенты). 
Первое  слагаемое  в  выражении  (пропорциональная  составляющая)  прямо 
пропорционально  «невязке» 
I
I
I
н



-  разности  номинального  тока  I
н
и  измеренного 
значения тока I. Его смысл состоит в том, что при «невязке» 
)
(A
k
I
p


 регулятор начнет 
снижать зерновой поток. 
Второе  слагаемое  в  установившемся  режиме  регулирования  равно  величине 
номинального тока при 
.
0

I
 
Третья составляющая пропорциональна скорсти изменения тока с обратном знаком и 
должна  препятствовать  резким  изменениям  тока  электродвигателя  (диференциальная 
составляющая). 
Для  того,  чтобы  достичь  высокого  качества  регулирования  тока  необходимо 
правильно настроить регулятор – задать три коэффициента.  
Используя 
методику [1], были 
определены 
коэффициенты 
,
22
,
0
15
,
0
*
5
,
1
*
5
,
1
,
4
,
8
7
*
2
,
1
*
2
,
1








i
p
k
I
k
.
03
,
0
*
2
,
0



d
k
Подставляя 
эти 
22 А 
30 А 
27 А 
15 А 
М, Нм 
t, с 
 
 

117
значения коэффициентов в формулу 16, определяем q=0,23 м
3
/c. Этот полученный зерновой 
поток позволяет загружать двигатель агрегата на номинальный режим работы. 
Предложена 
методика 
выбора 
конструкцию 
устройства 
регулирования 
производительности зернодробилки; 
Разработана 
система 
позволяющая 
обеспечить 
номинальную 
нагрузку 
электропривода  путем  регулирования  производительности  зернодробилки  за  счет  
изменения потока зернового материала, поступающего на рабочие органы машины. 

жүктеу/скачать 7,24 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: