Проектирование электропривода шахтной подъемной установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Задание

1. Определение моментов инерции механизма и его статического момента

2. Предварительное определение мощности двигателя

2.1 Выбор элементов силовой схемы электропривода

2.2 Расчет и построение естественной характеристики

2.3 Построение искусственных механических характеристик

2.4 Расчет и построение искусственных механических характеристик двигателя

2.5 Расчет и построение искусственных механических характеристик двигателя

2.5.1 Снижение частоты на 15%

2.5.2 Повышение частоты на 15%

2.6 Оценка необходимости применения обратной связи

2.7 Динамическое торможение двигателя

2.7.1 Расчет и построение механической характеристики двигателя при торможении с максимальной угловой скоростью

2.7.2 Переходные процессы

2.8 Проверка выбранного двигателя по нагреву и перегрузке

2.9 Определение среднего КПД двигателя

3. Выбор аппаратов управления

Список литературы

Задание

1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

1.1 Параметры нагрузочных диаграмм и данные исполнительного механизма в таблице 1.

Таблица 1

Исходные данные
Вес груза (кН)	200
Вес противовеса (кН)	150
Вес клети (кН)	100
Максимальная скорость движения (м/с)	0,33
Диапазон регулирования	4:1
КПД редуктора (%)	76
Передаточное число редуктора	114
Диаметр барабана (м)	1
Высота подъема (м)	60
Вес каната (Н/м)	60
Момент инерции барабана (кгм2)	332

1.2 Краткие сведения о работе исполнительного механизма и электропривода.

Подъемная установка, снабженная противовесом, перемещает клеть с грузом по вертикальному стволу шахты. Механизм состоит из электродвигателя, соединенного через редуктор с барабаном подъемной лебедки, клети для размещения груза и противовеса. Цикл работы механизма состоит из подъема груза на указанную высоту, паузы для освобождения клети от груза, возврата клети в исходное положение, паузы для загрузки клети. Длительность пауз равна длительности передвижения клети. Тормозной режим работы: электродинамическое.

Питающая электрическая сеть - ~ 3-ТN-S, 380 В, 50 Гц.

2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Определить приведения значения статических моментов и моментов инерции исполнительного механизма.

2.2 Определить предварительно мощность двигателя и выбрать его по каталогу.

2.3 Произвести расчет и выбор элементов силовой цепи электропривода.

2.4 Рассчитать и построить естественную механическую характеристику электродвигателя.

2.5 Рассчитать и построить механические характеристики при максимальном, среднем и минимальном значениях скорости движения.

2.6 Оценить влияние изменения напряжения и частоты питающей сети (15%) на полученные механические характеристики и работу механизма.

2.7 Оценить необходимость применения обратной связи для стабилизации угловой скорости вала электродвигателя (изменение скорости не должно превышать 15% при изменении момент сопротивления на валу в пределах номинального момента электродвигателя). При необходимости рассчитать требуемый коэффициент усиления обратной связи.

2.8 Рассчитать и построить кривые изменения угловой скорости, момента и тока при пуске и остановке электродвигателя; определить длительность переходных процессов.

2.9 Проверить предварительно выбранный двигатель по нагреву и перегрузке.

2.10 Определить КПД электропривода за цикл работы.

2.11 Разработать принципиальную электрическую схему электропривода и дать описание ее работы. Схемы управления должна обеспечивать автоматическое выполнение заданного режима работы, ручное регулирование скорости вращения, необходимые виды защиты электрооборудования.

2.12 Выбрать аппаратуру управления, защиты и сигнализации. Составить перечень элементов.

3 ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Принципиальная электрическая схема электропривода.

3.2 Естественная и искусственные механические характеристики электродвигателя.

3.3 Нагрузочная диаграмма исполнительного механизма.

3.4 Характеристики электродвигателя в переходных режимах работы.

1. Определение моментов инерции механизма и его статического момента

Сила тяжести клети с грузом, перед ее подъемом на указанную высоту G1, Н

(1.1)

;

где Ргр - вес груза, Н; Ркл - вес клети, Н; Рк - вес каната, Н; Рпр - вес противовеса, Н; Н - высота подъема, м.

Сила тяжести пустой клети, перед опусканием G2,Н

(1.2)

Статический момент, приведенный к валу электродвигателя и действующий во время подъема груза Мприв1, Нм, вычисляется по формуле:

(1.3)

где Rб - радиус барабана, м; i - передаточное число редуктора; Юр- КПД редуктора, %.

Статический момент, приведенный к валу электродвигателя и действующий во время спуска клети Мприв2, Нм, вычисляется по формуле

(1.4)

Минимальное время подъема t, с, вычисляется по формуле:

 (1.5)

где Vmax - максимальная скорость движения, м/с.

Эквивалентный момент нагрузки, за полный цикл работы Мскv, Нм, вычисляется по формуле:

(1.6)

Максимальная угловая скорость щmax, рад/с

(1.7)

Расчетная мощность двигателя Р, Вт

(1.8)

Приведенное значение момента инерции Jпр, кгм

(1.9)

где Jm - момент инерции исполнительного механизма, кгм

Частота вращения двигателя n, об/мин

(1.10)

2. Предварительное определение мощности двигателя

Используя расчетные параметры Р, n по выбираем двигатель постоянного тока[4]. При выборе принимаем ближайшую большую скорость учитывая, что номинальная скорость двигателя, должна быть несколько выше расчетной. Таким образом, выбираем двигатель 4AС250S8УЗ защита IР44 со следующими основными параметрами

- номинальная мощность Вт;

- номинальная скорость вращения об/мин;

- номинальный коэффициент полезного действия зн=0.85;

- номинальное напряжение ;

- номинальный коэффициент мощности

- реактивное сопротивление намагничивающего контура о.е;

- активное сопротивление фазы статора о.е;

- реактивное сопротивление рассеяния фазы статора о.е;

- приведённое активное сопротивление фазы ротора о.е;

- приведённое реактивное сопротивление рассеяния фазы ротора о.е;

- активное сопротивление ротора с учетом вытеснения тока о.е;

- активное сопротивление короткого замыкания о.е;

- индуктивное сопротивление короткого замыкания о.е;

- динамический момент инерции ротора кг•м² ;

- номинальное скольжение %;

- критическое скольжение %;

- продолжительно номинальный режим работы (S1).

Номинальный фазный ток статора:

 (2.1)

Сопротивления из справочника даны в относительных единицах, поэтому используем формулы перехода (см. список литературы[3]):

(2.2)

(2.3)

(2.4)

(2.5)

(2.6)

Сопротивление рассеяния статора:

(2.7)

Активное сопротивление статора:

(2.8)

Переход к Т-образной схеме:

(2.9)



Определим угловую скорость идеального холостого хода:

Определим номинальную угловую скорость:

Определим номинальный момент двигателя:

Сделаем проверку выбора двигателя:

Проверка выполняется, значит двигатель выбран верно.

2.1 Выбор элементов силовой схемы электропривода

Преобразователь частоты Siemens MICROMASTER 440 6SE6440-2UD34-5FA1.

Напряжение сети: .

Мощность преобразователя: .

Входной ток: .

Выходной ток: .

Выходная частота: 0 - 650Гц.

Коэффициент мощности: 0.95.

КПД: 96-97%.

Перегрузочная способность: 1.5х входной ток в течение 60с (каждые 300с); 2х входной ток в течение 3с (каждые 300с).

Частота импульсов: 2кГц.

Торможение: динамическое, комбинированное.

Степень защиты IP20.

Защита от:

Пониженного напряжения и перенапряжения;

Защитное заземление;

Короткого замыкания;

Блокировки двигателя;

Перегрева преобразователя;

Защита двигателя при помощи подключения терморезистора;

Тепловая защита двигателя i2t;

Изменения параметров;

Опрокидывания инвертора.

Типоразмер:

FX: 115x350x320. Вес 75кг.

Входной дроссель: 6SL3000-3CC11-2FDO.

Выходной дроссель: 6SE6400-3TC14-5FD0.

Автоматический выключатель: 3VL3720-DC36.

Тормозной резистор: 6SE6400-4BD24-0FA0.

Предохранители: 3NE1224-0.

2.2 Расчет и построение естественной характеристики

-критическое скольжение берем из паспортных данных двигателя.

S=0.0001,0,0005..1 - шаг изменения скольжения для построения графиков.

Определяем критический момент:

- формула Клосса;

Таблица значений момента и скорости

М(S),	w(s), рад/с
0.602	78.532
515.051	70.678
835.576	62.824
995.529	54.97
1052.158	47.116
1050.783	39.262
1019.812	31.408
975.343	23.554
926.039	15.7
876.392	7.846
828.665	0

Рисунок 1 - Естественная характеристика двигателя

2.3 Построение искусственных механических характеристик

Для управления АД с КЗ ротором используем закон частотного регулирования скорости .

Пересчитываем скорости АД на соответствующие частоты ПЧ:

-коэффициент рассеяния для статора;

- коэффициент рассеяния для ротора.

- общий коэффициент рассеяния.

Коэффициенты зависящие от параметров:

Для максимального значения

- синхронная скорость вращения поля АД на данной частоте.

Относительная частота напряжения статора - отношение частоты тока статора к ее номинальному значению:

Абсолютное критическое скольжение:

- формула для момента.

Для минимального значении

- синхронная скорость вращения поля АД на данной частоте.

Относительная частота напряжения статора - отношение частоты тока статора к ее номинальному значению:

Абсолютное критическое скольжение:

- формула для момента

Для среднего значения

- синхронная скорость вращения поля АД на данной частоте.

Относительная частота напряжения статора - отношение частоты тока статора к ее номинальному значению:

Абсолютное критическое скольжение:

- формула для момента.



Рисунок 2 - Искусственные характеристики двигателя

М1(S),	w1(s), рад/с	М2(S),	w2(s), рад/с	М3(S),	w3(s), рад/с
0.81	75.232	0.066	18.808	0.334	47.02
657.36	67.708	56.656	16.927	284.326	42.318
968.236	60.184	97.968	15.046	464.678	37.615
1047.208	52.66	127.77	13.165	561.223	32.913
1020.672	45.136	148.984	11.284	602.222	28.21
956.323	37.612	163.815	9.403	610.202	23.508
883.277	30.088	173.908	7.522	599.92	18.805
812.674	22.564	180.482	5.461	580.236	14.103
748.54	15.04	184.441	3.76	556.243	9.4
691.376	7.516	186.456	1.879	530.792	4.698
640.959	0	187.026	0	505.464	0

2.4 Расчет и построение искусственных механических характеристик двигателя

При снижении и повышении номинального напряжения сети на 15%.

Преобразователи частоты Siemens Micromaster не реагируют на изменение напряжения сети, поэтому рассчитывать характеристики не требуется.

2.5 Расчет и построение искусственных механических характеристик двигателя

2.5.1 Снижение частоты на 15%

Для максимального значения

(Гц) - частота питающей сети.

(рад/с) - синхронная скорость вращения поля АД на данной частоте.

- относительная частота напряжения статора.

Критический момент:

Абсолютное критическое скольжение:

- формула для момента.

Для минимального значения

- синхронная скорость вращения поля АД на данной частоте.

Относительная частота напряжения статора - отношение частоты тока статора к ее номинальному значению

(Гц)

Критический момент:

Абсолютное критическое скольжение:

 - формула для момента.

Для среднего значения

- синхронная скорость вращения поля АД на данной частоте.

Относительная частота напряжения статора - отношение частоты тока статора к ее номинальному значению

(Гц)

Критический момент:

Абсолютное критическое скольжение:

- формула для момента.



Рисунок 3 - Искусственные характеристики двигателя при снижении частоты сети на 15%

При уменьшении частоты питающей сети мы наблюдаем заметное увеличение момента на максимальной скорости. Момент на характеристике максимальной скорости достигает критического значения гораздо большего, чем позволяет двигатель, что является недопустимым.

Исходя из этого, наилучший вариант работы двигателя в данной ситуации, это работа на средней скорости.

Таблица значений

М1(S),	w1(s), рад/с	М2(S),	w2(s), рад/с	М3(S),	w3(s), рад/с
1.517	75.232	0.102	18.808	0.533	47.02
1115.17	67.708	87.936	16.927	447.939	42.318
1512.601	60.184	151.861	15.046	713.396	37.615
1551.076	52.66	196.853	13.165	833.752	32.913
1463.789	45.136	228.086	11.284	868.581	28.21
1344.904	37.612	249.025	9.403	857.842	23.508
1227.129	30.088	262.43	7.522	825.5	18.805
1120.392	22.564	270.354	5.461	784.362	14.103
1026.589	15.04	274.305	3.76	740.948	9.4
873.99	0	274.412	0	658.312	0

2.5.2 Повышение частоты на 15%

Для максимального значения

(Гц) - частота питающей сети.

(рад/с) - синхронная скорость вращения поля АД на данной частоте.

- относительная частота напряжения статора.

Критический момент:

Абсолютное критическое скольжение:

- формула для момента.

Для минимального значения

- синхронная скорость вращения поля АД на данной частоте.

Относительная частота напряжения статора - отношение частоты тока статора к ее номинальному значению

(Гц)

Критический момент:

Абсолютное критическое скольжение:

- формула для момента.

Для среднего значения

- синхронная скорость вращения поля АД на данной частоте.

Относительная частота напряжения статора - отношение частоты тока статора к ее номинальному значению

(Гц)

Критический момент:

Абсолютное критическое скольжение:

- формула для момента.



Рисунок 4 - Искусственные характеристики двигателя при повышении частоты сети на 15%

При повышении частоты сети на 15% видно, что моменты развиваемые двигателем при средней и минимальной скорости падают и не достигают номинального момента.

Таблица значений

М1(S),	w1(s), рад/с	М2(S),	w2(s), рад/с	М3(S),	w3(s), рад/с
0.54	75.232	0.045	18.808	0.225	47.02
454.215	67.708	39.006	16.927	192.302	42.318
722.376	60.184	67.49	15.046	319.887	37.615
845.432	52.66	88.236	13.165	394.813	32.913
880.75	45.136	103.255	11.284	432.889	28.21
869.86	37.612	114.017	9.403	447.324	23.508
837.065	30.088	121.599	7.522	447.407	18.805
795.35	22.564	126.795	5.461	439.165	14.103
751.328	15.04	130.193	3.76	426.353	9.4
667.535	0	133.237	0	395.273	0

2.6 Оценка необходимости применения обратной связи

Жесткость механической характеристики:

;

где - относительная частота.

О точности регулирования можно судить по перепаду скорости при заданном изменении момента т.к. момент в данном случае изменяется от 0 до номинального значения, то:

Подставим и получим:

.

- номинальная скорость вращения ИМ, приведенная к валу двигателя.

- частота питающей сети.

- номинальный момент.

меньше 15%, следовательно обратная связь по скорости не требуется.

При максимальном значении :

- максимальная скорость ИМ;

меньше 15%, следовательно обратная связь по скорости не требуется.

При минимальном значении :

- минимальная скорость вращения ИМ, приведённая к валу двигателя;

;

меньше 15%, следовательно обратная связь по скорости не требуется.

При среднем значении :

- средняя скорость вращения ИМ, приведённая к валу двигателя;

меньше 15%, следовательно обратная связь по скорости не требуется.

Примечание:

В частотном преобразователе Micromaster 440 отсутствует необходимость применения обратной связи по скорости.

2.7 Динамическое торможение двигателя

инерция электропривод двигатель торможение

2.7.1 Расчет и построение механической характеристики двигателя при торможении с максимальной угловой скоростью

В схеме используется аварийное динамическое торможение, осуществляемое преобразователем частоты.

(рад/с) - максимальная скорость ИМ.

(Гц) - частота соответствующая максимальной скорости ИМ.

(Гц) - номинальная частота сети.

- первичное напряжение трансформатора.

- вторичное напряжение трансформатора.

- коэффициент трансформации по напряжению.

- выпрямленное напряжение в нагрузке

-постоянный ток подаваемый в статор.

- мощность на нагрузке во вторичной цепи трансформатора.

- переменный эквивалентный ток.

(рад/с) - скорость х.хода.

- абсолютное скольжение. (5.0)

С этого скольжения, соответствующего максимальной скорости ИМ начинается ДТ.

Критический момент при ДТ:

Абсолютное критическое скольжение:

- скольжение.

- зависимость скорости от скольжения.

- формула Клосса для динамического торможения

Рисунок 5 - Механическая характеристика двигателя при динамическом торможении

Мдт(S),	0.269	0.299	0.336	0.384	0.448	0.538	0.672
wдт(s), рад/с	75.233	70.694	62.84	54.986	47.132	39.278	31.424



Мдт(S),	0.896	1.343	2.685	926.978
wдт(s), рад/с	23.57	15.716	7.862	0.008

2.7.2 Переходные процессы

В общем случае переходные процессы описываются следующей системой уравнений:

Подставив в уравнение движения угловую скорость двигателя , получим одно уравнение

.

Момент двигателя можно выразить линейным уравнением

где - коэффициент пропорциональности.

Подставляя в (5.9) из (5.7), получим линейной выражение механической характеристики двигателя для мягкого режима частотного управления:

Уравнение движения привода можно записать теперь в общем виде через параметр абсолютного скольжения

или же, используя (4.3), через скорость двигателя как

Задаёмся - скорость изменения частоты.

- номинальная скорость вращения исполнительного механизма, приведённая к валу двигателя.

- момент инерции, приведённый к валу двигателя.

- момент статический при пуске и торможении на валу АД.

После интегрирования выражений (6.0) и (6.1) и их последующего преобразования получим закон изменения параметра абсолютного скольжения:

,

где - электромеханическая постоянная времени, отнесённая к номинальному моменту.

Уравнения скорости при пуске и торможении согласно (5.7) будут:

- уравнение для скорости при пуске на номинальную скорость.

- уравнение для установившейся скорости привода в первое время после пуска.

- уравнение для скорости при останове с номинальной скорости.

- уравнение для установившейся скорости привода в первое время после останова.

Согласно (5.9) уравнения момента при пуске и торможении:

- уравнение для момента при пуске АД на номинальную скорость.

- уравнение для момента АД после выхода на номинальную скорость.

- уравнение для момента при торможении АД.

- уравнение для момента при торможении АД после выхода на нулевую скорость.



Рисунок 6 - Переходные процессы

2.8 Проверка выбранного двигателя по нагреву и перегрузке

Для проверки двигателя по нагреву, используется условие, которое должно выполняться в случае верно выбранного двигателя;

477.465>452,127 - выполняется.

Для проверки двигателя по перегрузке смотрят за выполнением следующего условия:

1432,4>886.427;

Исходя из того что условие выполняется делаем вывод что двигатель имеет большой запас по перегрузке. Так же можно сделать вывод что двигатель выбран верно, так как оба условия выполняются.

2.9 Определение среднего КПД двигателя

3. Выбор аппаратов управления

Для защиты двигателя и преобразователя произведем расчет автоматического выключателя.

Определим параметры выключателя:

Ток установки теплового расцепителя:

;

Ток установки электродинамического расцепителя:

По данным значениям из справочника [3,стр 13] подберем автоматический выключатель с ближайшими, большими параметрами:

· номинальный ток автомата -160 А;

· номинальное напряжение - 380 В;

· ток установки теплового расцепителя - 260 А;

· ток установки электродинамического расцепителя -600А.

Подходящий для этого автоматический выключатель - А3710Ф.

Сигнализация:

· тип лампы-AС23;

· напряжение переменное номинальное - 24В;

· частота -50 Гц;

· режим работы продолжительный;

· свечение постоянное.

Выберем выходное реле преобразователя[3,стр179]:

· реле сигнальное РУ21;

· ток срабатывания - 0.01-4 А;

· напряжение - 24 В;

· число контактов -2(замыкающие).

Рассчитаем параметры магнитного контактора для запуска двигателя независимой обдувки.

Параметры двигателя:1,1кВт, 220В, ,:

Выбираем контактор по [3,стр19]-КМИ-10910,3 А,24В.

Плавкие предохранители(FU): ПН2-600/600А.

Описание работы схемы:

ЭП по схеме ПЧ - АД включает в себя:

Силовую часть;

Схему управления.

Силовая часть:

В качестве двигателя используется двигатель типа 4AС250S8УЗ с независимым вентилятором(4А90LB8У3), датчиком температуры и гидравлическим тормозом. В качестве ПЧ выбран преобразователь типа MICROMASTER 440 6SE6440-2UD34-5FA1 фирмы Siemens., в комплект которого входит:

ПЧ;

Входной дроссель;

Выходной дроссель;

Тормозное сопротивление;

Автоматический выключатель;

Предохранители.

Схема охлаждение двигателя независимая, позволяющая при малых оборотах обеспечить обдув двигателя.

Схема управления:

Схема управления питается от блока питания, подключённого к однофазной системе переменного тока, с выходным напряжением 24В постоянного тока.

Для подачи питания в силовую цепь и схему управления включаем автоматические выключатели QF и SF. Для запуска схемы нажимаем кнопку SB1, этим подавая сигнал на параметрируемый цифровой вход частотного преобразователя DIN1. Замыкаются выходные контакты реле частотного преобразователя. Подаётся питание на контроллер КМ, замыкаются его контакты в силовой цепи. Включается независимое охлаждение вентилятора и электродвигатель М. О работе схемы сигнализирует светосигнальный индикатор HL.

Скорость электродвигателя регулируется изменением сопротивления R1, подключённого к параметрируемому аналоговому входу частотного преобразователя AIN1.

Для остановки электродвигателя нажимаем кнопку SB2, прекращая подачу сигнала на параметрируемый цифровой вход DIN2.

Нагрузочная диаграмма исполнительного механизма:

Список литературы

1. Онищенко Г. Б. Электрический привод. Учебник для вузов - М. РАСХН. 2003. - 320с., ил.

2. Теория электропривода. Учебное пособие / Б. И. Фираго, Г. Б. Павлячик 2004. - 527с.

3. Электрические аппараты. И.И. Алиев, М.Б.Абрамов.

4. Справочник по асинхронным двигателям серии 4А. А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. - М.: Энергоиздат, 1982. - 504 с., ил.

5. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов. Онищенко Г. Б., Аксенов М. И. Учебное пособие.

6. Каталог DA 51.2 Siemens Micromaster 440, 2009г.

7. Каталог электротехнической продукции IEK ООО «Интерэлектрокомплект», 2006г.

8. Каталог Siemens Simatic, справочное руководство, 2009г.

Размещено на Allbest.ru