РОЗРОБКА СХЕМ ЖИВЛЕННЯ І КЕРУВАННЯ СИЛОВИМИ ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИМИ УДАРНИМИ СИСТЕМАМИ В ПРЕСОВОМУ ОБЛАДНАННІ ЛЕГКОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ

Polishchuk O.S.

Ph.D., assistant professor,

Khmelnitskyi National University

POWER SCHEMES DEVELOPMENT AND CONTROL OF POWER ELECTROMECHANICAL SHOCK SYSTEMS OF PRESSURE EQUIPMENT OF LIGHT INDUSTRY

Поліщук О.С.

к.т.н., доцент,

Хмельницький національний університет

РОЗРОБКА СХЕМ ЖИВЛЕННЯ І КЕРУВАННЯ СИЛОВИМИ

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИМИ УДАРНИМИ СИСТЕМАМИ В ПРЕСОВОМУ ОБЛАДНАННІ ЛЕГКОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ

SUMMARY

The article is developed power schemes and control of power electromechanical shock systems of pressure equipment of light industry

АНОТАЦІЯ

В статті розроблено схеми живлення і керування електромеханічними ударними системами в пресовому обладнанні для виконання операцій легкої промисловості.

Keywords: power electromechanical shock system, pressure equipment, light industry, power scheme and control.

Ключові слова: силова електромеханічна ударна система, пресове обладнання, легка промисловість, технологічна операція, схема живлення і керування.

Постановка проблеми. При створенні силових електромеханічних систем ударної дії (СЕМУС) для операцій легкої промисловості, що використовують ударний ефект, доцільний комплексний підхід – спільна розробка лінійного електричного двигуна (ЛЕД) – ємнісного накопичувача енергії (ЄНЕ) і схем живлення та керування. В зв’язку з можливим серійним випуском електромеханічного пресового обладнання для операцій легкої промисловості з ЛЕД в якості приводу, важливим є питання створення енергоефективних, надійних і малогабаритних схем включення при живленні від ємнісних накопичувачів енергії. Тому питання їх розробки є актуальним завданням.

Аналіз останніх досліджень і публікацій: В технічній літературі є достатня кількість інформації про ємнісні накопичувачі енергії, проводяться дослідження різноманітних схем живлення з їх використанням [1  3]. Такі схеми застосовуються для живлення машин та пристроїв при виконанні різноманітних технологічних завдань, але майже відсутні дослідження по їх використанню при виконанні операцій легкої промисловості.

Виділення не вирішених раніше частин загальної проблеми. Загальною проблемою, при створенні схем живлення та керування лінійними електричними двигунами є питання регулювання їх вихідних параметрів, які впливають на якісне виконання технологічних операцій. Сюди можна віднести: амплітуду імпульсу напруги, яка прикладається до котушки індуктивності ЛЕД, що в свою чергу дає змогу регулювати величину розрядного струму, який буде протікати через неї; тривалість імпульсу напруги, що прикладається до обмотки двигуна; наявність контуру погашення магнітного поля лінійного електричного двигуна в кінці циклу енергоперетворення тощо. Не вирішеним залишається питання точного дозування енергії удару при виконанні конкретного технологічного завдання.

Мета статті полягає в розробці схем живлення та керування силових електромеханічних ударних систем пресового обладнання для виконання операцій легкої промисловості.

Виклад основного матеріалу. Вибір силової схеми перетворювача і алгоритм керування ним є основною задачею при розробці схемного рішення електромеханічного пресового обладнання легкої промисловості. Основою для вибору силової схеми є технічні та економічні вимоги, що пред’являються до даного устаткування як із боку з боку споживачів так і із боку виробників електричної енергії. Це можуть бути вимоги по якості та економічності вхідної і вихідної енергії, що споживається під час експлуатації устаткування. На етапі виготовлення дослідного зразка і комплектуючих виробів слід оптимально використовувати активні матеріали, які є носіями енерговитрат [4].

Силові електромеханічні ударні системи для виконання операцій легкої промисловості, що живляться від ємнісних накопичувачів енергії, відрізняються від споживачів звичайного типу тим, що накопичують енергію з електричної мережі та використовують її під час виконання технологічного процесу.

Для пресового обладнання на основі силових електромеханічних систем ударної дії необхідно розробити схему живлення, яка перетворює та передає енергію джерела живлення в ємнісний накопичувач енергії, а потім по сигналу керування від оператора, розряджається на обмотку збудження лінійного електричного двигуна. Як вже відмічалося, виконання технологічних операцій легкої промисловості, що використовують ударний ефект, потребує дозування енергії удару. Тому, в схемах живлення та керування повинна бути наявною схема регулювання енергії заряду.

В блоках живлення з ємнісним накопичувачем енергія W, що накопичується батареєю конденсаторів, залежить від ємності С та напруги живлення . Проте повна реалізація потенційних можливостей такого блоку досягається лише при деякому узгоджені процесу розряду конденсаторної батареї з динамічними процесами в лінійному електричному двигуні. Режим вважається узгодженим, якщо для фізичної моделі значення енергії W та параметри C, U підібрані таким чином, що в інтервалі від одиничного спрацьовування до моменту зупинки якоря (робочого органу), ємнісний накопичувач енергії повністю розряджається та забезпечує максимальні вихідні показники силової електромеханічної ударної системи [5].

Схеми живлення та керування лінійних електричних двигунів в приводі пресового обладнання легкої промисловості повинні забезпечити можливість регулювання напруги заряду ЄНЕ та стабільність заряду в необхідних межах, бути простими, мати мінімальні масогабаритні показники та невелику вартість.

З метою розробки пристроїв живлення та керування (ПЖК) силовими електромеханічними ударними системами пресового обладнання для виконання операцій легкої промисловості була розроблена структурна схема імпульсного джерела струму з ємнісним накопичувачем енергії (I) (рис. 1). Схема розроблялася в комплексі із джерелом енергії (II) та навантажувальним пристроєм, що представляє собою лінійний електричний двигун (III). Основними елементами джерела струму є: перетворювач П, зарядний пристрій ЗП, ємнісний накопичувач енергії ЄНЕ, контур погашення магнітного поля КП та система керування СК. Для запобігання коливного характеру розряду конденсатора на обмотку ЛЕД, що може виникнути під час експлуатації пристрою, обмотка двигуна може шунтуватися діодом ШД.

Рис. 1. Структурна схема пристрою живлення та керування СЕМУС

Зарядний пристрій ЗП підключається і відключається за допомогою комутуючого пристрою, що знаходиться в перетворювачі П.

До основних функцій системи керування СК входять: включення і відключення зарядного пристрою від електричної мережі; контроль заряду ЄНЕ; подача відкриваючого імпульсу на керований вентиль (тиристор).

Розрядний контур складається із ЄНЕ ємністю Сн та нелінійних зі змінними у часі параметрами активного опору Rі індуктивності Lк лінійного електричного двигуна.

На основі структурної схеми були розроблені схеми живлення та керування силовими електромеханічними ударними системами в пресовому обладнанні різної потужності для виконання технологічних операцій легкої промисловості.

Електрична схема блока живлення СЕМУС пресового обладнання з ЛЕД у вигляді ємнісного накопичувача енергії з комутаційним апаратом прямої дії контактів при «заряді-розряді» конденсаторів, представлена на рис. 2 [6]. Пристрій виконаний у вигляді окремого блоку. Він дає змогу змінювати: амплітуду імпульсу напруги, яка прикладається до котушки індуктивності ЛЕД, що в свою чергу дає змогу регулювати величину розрядного струму, який буде протікати через неї; тривалість імпульсу напруги, що прикладається до обмотки двигуна; здійснювати погашення магнітного поля лінійного електричного двигуна в кінці циклу енергоперетворення.

Рис. 2. Пристрій живлення та керування у вигляді ємнісного накопичувача енергії

Пристрій живлення та керування підключається до мережі змінного струму з напругою 220 В. За допомогою автотрансформатора Т1 виставляється необхідна напруга зарядки конденсаторів С1  С8. За допомогою перемикачів SB1  SB8 в електричне коло підключаються конденсатори необхідної ємності. При включенні перемикача SB9 в положення 1, проходить зарядка конденсаторів до робочої напругиUк. Після засвічування світлодіода HL перемикач SB9 переводиться в положення 2 і ємнісний елемент підключається до котушки індуктивності ЛЕМД (індуктивний Lк та резистивний R елементи є елементами схеми заміщення котушки індуктивності).

Ємнісний елемент починає розряджатися. При цьому енергія електричного поля ємнісного елемента перетворюється в енергію магнітного поля індуктивного елемента і частково розсіюється в резистивному елементі R котушки індуктивності. Резистор R1 призначений для регулювання часу зарядки конденсаторів.

Регулювання тривалості імпульсу напруги, яка прикладається до котушки індуктивності ЛЕД, можна здійснювати за рахунок зміни ємності конденсатора. Регулювання напруги, прикладеної до котушки індуктивності, здійснюється за рахунок зміни напруги зарядки конденсатора.

Погашення магнітного поля лінійного електричного двигуна в кінці циклу енергоперетворення відбувається за рахунок наявності в схемі контуру, який складається з діода VD3 та опору погашення R3. Такий контур погашення простий, надійний в роботі, дозволяє забезпечити незначний час погашення і потрібну швидкодію пресового обладнання з лінійним електричним двигуном в якості приводу [6].

Для усунення недоліків використання комутаційних пристроїв прямого розряду конденсатора на котушку двигуна, а також з метою зменшення втрат електричної енергії було розроблено два варіанти блоків живлення для машин імпульсної дії. В першому варіанті, керування здійснюється за допомогою тригера, в другому мікроконтролера. В обох варіантах в якості комутаційного пристрою використовується силовий тиристор.

На рис. 3 приведено електричну схему блоку живлення лінійного електричного двигуна з системою керування за допомогою тригера [7]. Принцип дії пристрою живлення та керування наступний. При вмиканні пристрою живлення та керування напруга Uвх на трансформатор Т1 не подається в зв’язку з тим, що оптотиристор VD1 закритий. Як тільки напруга блоку живлення набуває значення 5 В починає працювати схема зарядки конденсатора. При початковому стані конденсатор С1 має нульовий заряд. Тому з дільника (R2, R3, R4, VD2), який включений паралельно, виходить нульова напруга, що подається на елементи порівняння DD1.1; DD1.2. Так як DD1.1 включений у режимі нульового елемента (при досягненні напруги певної величини на виході буде логічна «1»). На виході порівняльного елементу DD1.2 логічна «1» утримується до тих пір, доки напруга з дільника не досягне необхідного рівня Uвих. Тобто, у вихідному стані DD1.1 має на виході логічний «0», а DD1.2 має логічну «1».

Рис. 3. Електрична схема блоку живлення ЛЕД

Виходи DD1.1 та DD1.2 включені відповідно до елементу DD2 (тригеру) DD1.1 до входу S, DD1.2 відповідно до входу R. Так як на виході DD1.1 буде логічна «1», яка підключена до входу R, то тригер скинутий в нульове положення. Тобто на прямому виході «0», а на інверсному виході «1». До інверсного виходу підключений транзисторний ключ VT1, який відкритий і струм протікає через резистор R5 та світлодіод оптотиристора VD1. Світлодіод випромінює світло, що подається на перехід тиристора, який за рахунок цього відкривається. Як тільки VD1 відкриється, через Т1 протікає змінна напруга. Трансформатор з визначеним коефіцієнтом перетворення підвищує, або понижує вхідну напругу Uвх до необхідної рівня Uвих і через резистор R1 та діод VD3 відбувається заряд конденсатора С1.

При досягненні заданої величини напруги на конденсаторі С1, з дільника знімається напруга, яка в свою чергу переводить DD1.2 в нульовий стан, а на виході елементу DD1.1 з’явиться логічна «1». Логічна «1», що передається на вихід S елемента DD2, спричиняє миттєве перемикання тригера в одиничний стан. У випадку, коли на інверсному виході DD2 утвориться «0», транзисторний ключ VT1 закривається, відповідно конденсатор С1 перестає заряджатись. Одночасно з прямого виходу елемента DD2 логічна «1» подається на елемент DD3 і схема готова до розряду, тобто натискання кнопки SB2. Як тільки SB2 буде замкнено, відкриється транзисторний ключ VT1 і світлодіод VT3 увімкне схему запуску тиристора VD4. Світловий потік відкриває напівпровідниковий перехід транзистора VT3, відповідно відкриється транзистор VТ4 через який подається напруга, яка достатня для відкриття тиристора VD4 в схемі запуску тригера (рис. 4). В результаті відкривання тиристора VD4 ємність С1 розряджається на індуктивність L1 (рис. 3).

Рис. 4. Електрична схема блоку запуску тригера

Якщо заряджений конденсатор С1 деякий час не розряджався на індуктивність, його накопичена енергія починає падати. Як тільки вона падає до якогось нижнього (порогового) значення, на елементі DD1.2 утвориться логічна «1», яка перемикає тригер DD2 в нульове положення, відкривається транзисторний ключ VT2 і відбувається дозарядка конденсатора С1.

Для керування логічними елементами потрібно підключити живлення напругою 5 В. Для цього в схему вводиться додатковий блок живлення, електрична схема якого приведена на рис. 5.

Рис. 5. Електрична схема блоку керування логічними елементами

В останні роки, в обладнанні досить широко застосовують мікроконтролерне керування виконанням різноманітних технологічних задач. За допомогою однієї інтегральної схеми можна керувати будь-яким процесом, знімати показники під час роботи та вносити певні зміни в хід виконання технологічної операції. Інтегральна схема програмується під конкретну задачу та може бути використана в нашому випадку для регулювання енергії заряду.

На рис. 6 приведено електричну схему блоку живлення ЛЕД з системою керування за допомогою мікроконтролера [6].

Рис. 6. Схема електрична блока керування та живлення ЛЕД ударної

машини

Блок живлення складається з трьох частин: випрямляча, зарядного та розрядного контурів. Розглянемо більш детально кожну частину. Блок випрямлення містить випрямляч та мікроконтролер. Потужність випрямляча вибирається, виходячи з потужності зарядного контуру та потужності пресового обладнання в цілому. Мікроконтролер введено в схему для більш точного дозування енергії заряду, що контролюється по електричному табло у відсотках від максимальної потужності, а також з метою плавного регулювання напруги зарядки конденсатора до встановленої робочої.

Зарядний контур містить батарею конденсаторів С1-С16, паралельно якому підключено резистор R2, для зняття залишкового заряду. Щоб уникнути зворотних струмів введено діод VD1. Резистор R1 призначений для обмеження струму заряду. Оскільки в початковий момент конденсаторна батарея має опір близький до нуля, то струм зарядки буде наближатись до «нескінченості». Це може призвести до виходу схеми з ладу, а також перевантаження електричної мережі, тому необхідно обмежити струм зарядки конденсатора. Так як час зарядки конденсатора, а відповідно і максимально можлива кількість технологічних операцій, прямо пропорційно залежить від ємності та опору зарядного контуру, то не завжди доцільним є обмеження струму зарядки лише опором R1. В даній схемі застосовується випрямляч з мікроконтролером. В схемах малої потужності достатньо обмеження струму зарядки лише випрямлячем з мікроконтролером або простого випрямляча з використанням резистора R2.

Розрядний контур включає в себе батарею конденсаторів С1-С16, котушку L1 та тиристор VD3. Елементи VD2 та R3 призначені для відкривання тиристора VD3. Котушка L1 разом з елементами VD5 та R4 являють собою коло прискореного розряду, що призначене для зняття електрорушійної сили самоіндукції.

Принцип дії пристрою живлення та керування наступний. При вмиканні блоку живлення відбувається зарядка конденсатора до робочої напруги. По закінченню процесу зарядки, що супроводжується світловим сигналом на блоці випрямляча, установка готова до роботи. При натисканні на кнопку SB17 відбувається відсікання зарядного контуру від блоку випрямляча та наступне замикання розрядного контуру. Використовуючи накопичену енергію батареї конденсаторів С1-С16 та елементи VD2 та R3 відбувається відкривання тиристора VD3 з наступною розрядкою батареї конденсаторів С1-С16 на котушку L1. Потужний імпульс направлений на створення тягового зусилля ЛЕД, але паралельно з цим потужний імпульс створює навколо котушки потужне магнітне поле, що стрімко затухає. Це призводить до виникнення в котушці електрорушійної сили, що погашається в колі прискореного розряду. При натисканні кнопки SB17 цикл повторюється.

Розглянуті схеми живлення та керування силовими електромеханічними ударними системами можуть бути використані в пресовому обладнанні різної потужності в залежності від параметрів технологічної операції, що виконується, а також в установках для їх дослідження.

Висновки

Розроблено схеми живлення і керування силовими електромеханічними ударними системами пресового обладнання для виконання технологічних операцій легкої промисловості, які дають змогу регулювати їх вихідні параметри. Це, в свою чергу, приведе до якісного виконання технологічної операції.

Список літератури

1. Гилёв А.А., Миронов В.С. Антидриблинговые устройства силовых электрических коммутационных аппаратов с прямым ходом контактов. Електротехніка і електромеханіка. 2010. – №2. С.6-8.

2. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Тер-Газарян А.Г. Накопители энергии в электрических системах. – М.: Высшая. школа, 1989. – 159 с.

3. Болотовский Ю., Таназлы Г., Вашкевич Е., Никитин А. Разработка систем заряда емкостных накопителей энергии. Силовая электроника. 2008. – № 4. С. 49-56.

4. Егоров А. А. Импульсный линейный электромагнитный привод для операций маркирования и клеймения деталей и изделий: дис … канд. техн. наук: 05.09.03 / Егоров Андрей Александрович. — Саратов, 2007. – 180 с.

5. Гельфанд Я.С. Выпрямительные блоки питания и зарядные устройства в схемах релейной защиты. М.: Энергоатомиздат, 1983. 192 с.

6. Поліщук О.С. Електромеханічне пресове обладнання на підприємствах легкої промисловості: монографія. – Хмельницький: PolyLux. 2018. – 285с.

7. Кармаліта А.К., Пильник Є.Р. Блок живлення машин імпульсної дії. Вісник Хмельницького національного університету . 2008. №2. С. 18 21.