Проектирование шахтного подъёмника

Содержание

Введение

1 Технико-экономическое обоснование выбора системы электропривода

2 Выбор типа и параметров электродвигателя

3 Расчет статических механических характеристик

4 Расчет механической части объекта управления

5 Моделирование процессов управления

6 Разработка электрической схемы электропривода

6.1 Выбор микроконтроллера

6.2 Расчет тормозного блока

6.3 Выбор блока питания

6.4 Выбор устройств защиты

6.5 Выбор устройства поддержания микроклимата

7 Разработка варианта конструктивного исполнения электропривода

Заключение

Литература

Введение

На современном этапе, характеризующимся приоритетным развитием машиностроения и автоматизации производства, автоматизированный электропривод сформировался как самостоятельное научное направление, в значительной степени определяющее прогресс в области техники и технологии, связанное с механическим движением, получаемым путём преобразования электрической энергии. Этим объясняется большой интерес специалистов к новым разработкам в данной отрасли техники и к её научным проблемам.

Четко определился объект научного направления - система, отвечающая за управляемое электромеханическое преобразование энергии. Эта система включает два взаимодействующих канала - силовой канал, состоящий из участка электрической сети, электрического, электромеханического, механического преобразователей, технологического рабочего органа и информационный канал.

Целью данного курсового проекта является проектирование электропривода скипового шахтного подъёмника.

В ходе выполнения необходимо обосновать выбор структуры энергетического и информационного каналов системы исходя из экономической эффективности различных вариантов.

Произведен выбор электродвигателя, обеспечивающего требуемую мощность при заданном режиме работы.

Выполнен расчет динамических характеристик, расчет статических характеристик электропривода, обеспечивающих заданные параметры в диапазоне изменения нагрузки. Произведено моделирование процессов в системе электропривода с целью получения динамических характеристик. В ходе моделирования корректировались параметры системы для получения удовлетворяющих требованиям показателей качества.

Разработана электрическая схема силового и информационного каналов электропривода, выбраны дополнительные элементы, необходимые для работы системы.

Разработан вариант конструктивного оформления электропривода с выбором несущих конструкций, их компоновки, размещения устройств и органов управления.

К данной пояснительной записке прилагается принципиальная электрическая схема электропривода, чертеж общего вида основного конструктивного блока (шкафа), диаграммы статических характеристик и динамических процессов.

Данный курсовой проект является итоговым для специальности «Автоматизированный электропривод и автоматизация промышленных комплексов» и отражает знания и навыки студентов, полученные в ходе предыдущего обучения.

1. Технико-экономическое обоснование выбора системы

электропривода

Современный регулируемый электропривод содержит, как правило, статический (электронный) преобразователь электроэнергии (регулятор, коммутатор), с помощью которого обеспечивается экономичное и плавное регулирование параметров движения в широком диапазоне, формирование переходных процессов с заданным качеством, автоматизация процессов управления. Тип управляемого преобразователя, тип электродвигателя, а также способ управляющего воздействия на двигатель определяют в целом систему электропривода.

Основным преимуществом регулируемых приводов переменного тока является отсутствие чувствительного к перегрузкам и дорогого в обслуживании коллектора. Это имеет первостепенное значение при размещении двигателя в зонах недоступных для обслуживающего персонала, а также при эксплуатации электропривода в пожаро- или взрывоопасной среде.

При использовании асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором универсальным является принцип частотного управления (система ПЧ-АД). Наилучшие показатели регулирования дает применение преобразователей частоты на основе инверторов (ПЧИ). Такие преобразователи обеспечивают широкий диапазон регулирования скорости как вниз, так и вверх относительно номинального значения. При этом соответствующий выбор закона частотного регулирования позволяет осуществлять его как при постоянстве допустимого момента, так и при постоянстве допустимой мощности в режиме продолжительной нагрузки. Различные модификации ПЧИ позволяют реализовать данную систему электропривода независимо от рода тока в источнике электроэнергии. Недостатком системы ПЧИ-АД является ее функциональная сложность и большая стоимость.

Существенно более простыми и дешевыми являются непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), однако их применение ограничено небольшой зоной частотного регулирования и низкими энергетическими характеристиками.

Выбор системы электропривода возможен на основе сравнительного анализа технических данных и исходных данных на проектирование электропривода с учетом изложенных выше особенностей применения наиболее распространенных систем электропривода.

Так как техническим требованиям и условиям эксплуатации удовлетворяют несколько систем электропривода, то для окончательного выбора необходима их экономическая оценка. Такая оценка должна базироваться на принципе минимальных расходов, связанных с первоначальными затратами и эксплуатационными расходами. Учитывая сложность полного учета эксплуатационных расходов, можно ограничиться сравнением стоимости систем электропривода.

Учитывая вышеприведенные рекомендации для заданных эксплуатационных условий, и для получения заданных технических характеристик (диапазон D=10) наиболее подходящей является система управления асинхронным двигателем по принципу частотного управления с использованием преобразователя частоты на основе инвертора.

Рисунок 1- Преобразователь частоты. Схема электрическая принципиальная силовой части.

Для автоматизированного электропривода наиболее перспективной является схема ТПЧ на базе трехфазного мостового АИ напряжения с отсекающими диодами. Обратные диоды обеспечивают компенсацию реактивной мощности нагрузке за счет обмена энергии между фазами и возврата ее в источник постоянного тока, который благодаря включенному на вход АИ конденсатору обладает двухсторонней проводимостью.

2. Выбор типа и параметров электродвигателя

Предварительно номинальная мощность двигателя определяем:

P_ном = (m_гр g v_max) / = (10 10 10) / 0,8 = 1250 кВт.

Так как специальных двигателей рассчитанных на эту мощность нет, то выбираем четыре асинхронных двигателя серии 4А по 315 кВт каждый: двигатель 4АНК355S4У3. Параметры двигателя приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

Параметры электродвигатель 4АНК355S4У3.

РНОМ, кВт	n0, об/мин	sНОМ %	КПД %	cosц	Вб, Тл	А, А/м	I2н, А	J, А/м2	U2, В
315	1500	2,2	93,5	0,9	0,93	577	460	5,4	420

Двигатель рассчитан для работы в режиме S1 от сети трехфазного переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 660 В.

Степень защиты электродвигателей IP54, исполнение по способу монтажа IM1001, класс нагревостойкости изоляции Н.

Двигатель предназначен для работы во взрывоопасных помещениях всех классов и наружных установках, где могут образовываться взрывоопасные смеси газов, паров и пыли с воздухом, отнесенные по взрывоопасности к категориям IIA, IIB и группам воспламеняемости Т1, Т2, Т3, Т4.

Параметры схемы замещения двигателя:

x = 3,9; R₁ = 0,02; R₂ = 0,022; x₁ = 0,12; x₂ = 0,15.

Все параметры схемы замещения двигателя приведены в относительных единицах.

Так же у двигателя есть следующие параметры:

m_k = 2; s_ном = 2,2 %; s_к = 8,4 %.

В соответствии с выбранным двигателем выбираем ПЧ (преобразователь частоты): Триол АТ08.

Электроприводы Триол АТ08 предназначены для управления специальными машинами и механизмами, которые оснащены трехфазными с напряжением питания 660 В асинхронными электро-двигателями мощностью от 200 до 750 кВт:

· компрессоры;

· шахтные подъемники;

· конвейеры и транспортеры;

· шахтные насосы и вентиляторы;

· угольные комбайны;

· карьерные экскаваторы и буровые станки;

· земснаряды, драги и т.д.

Производимый ряд Триол АТ08 содержит 7 моделей электроприводов 200; 250; 320; 400; 500; 630; 750.

Технические характеристики:

Шкала мощностей: 200 … 750 кВт
Питающая сеть:	3х660 В, +10%, -15%, 50(60) Гц ± 2% (с заземленной либо изолированной нейтралью)
Выходное напряжение	3х(0…660 В) ± 2% (значение максимального выходного напряжения программируется)
Выходная частота:	0…50(100) Гц ± 0,05% (значения максимальной и минимальной частоты программируются)
Напряжение собственных нужд	3х380 В
Коэффициент полезного действия	не менее 0,97 (без двигателя)
Условия окружающей среды:	рабочая температура +1 …+40°С, влажность (без конденсации) до 90%.

В электроприводах Триол АТ08 реализованы:

· оптимизированные алгоритмы высокочастотного ШИМ-управления,

· законы частотного регулирования АД,

· скалярное управление,

· векторное управление.

· Электроприводы Триол АТ08 обеспечивают:

· плавный пуск;

· длительную работу в заданном диапазоне частот вращения и нагрузок;

· реверсирование движения;

· торможение и останов;

· защиту электрического и механического оборудования в аварийных и нештатных режимах.

Предусматривают работу в ручном и автоматическом режимах. Для приема управляющих и задающих сигналов и управления внешними устройствами электропривод содержит:

· 6 дискретных входов;

· 2 аналоговых входа;

· не менее 2 программируемых релейных выходов;

· 2 аналоговых выхода;

· 2 канала последовательной связи через интерфейс RS485.

Обмен данными происходит через интерфейс RS485 в соответствии с протоколом «Modbus», «Profibus», CAN. Шкафы электропривода Триол АТ08 выпускаются со степенями защиты IP21 и IP54. Общий вид ПЧ Триол АТ08 показан на рисунке 2.

Рисунок 2 - Вид общий.

3. Расчёт статических механических характеристик электропривода

Произведём расчёт статических характеристик для рабочей скорости и скорости дотягивания по следующим формулам:

Для рабочей скорости:

₀₁ = (2 n₀) / 60 = (2 1500) / 60 = 157 рад/с;

_н1 = (2 n_н) / 60 = (2 1053) / 60 = 110,2 рад/с.

s_н1 = 2,2 % = 0,022 и s_к1 = 8,4 % = 0,084 по данным электродвигателя.

Так же известны параметры схемы замещения. Но их параметры приведены в относительных единицах, поэтому произведём пересчёт параметров схемы замещения в стандартный вид:

R₁ = 0,01 1,5 = 0,015 Ом;

x₁ = 0,06 1,5 = 0,09 Ом;

x₂ = 0,08 1,5 = 0,12 Ом;

R₂ = 0,011 1,5 = 0,017 Ом;

x = 1,95 1,5 = 2,93 Ом.

Произведём следующие расчёты:

x_к1 = x₁ + x₂ = 0,09 + 0,12 = 0,21 Ом;

M_к1 = 3U_ф² / (2₀ x_к1) = (3 420²) / (2 157 0,21) = 8025 Н м;

M_п1 = 2M_к / (1/s_к1 + s_к1) = (2 8025) / (1/0,084 + 0,084) = 1739 Н м;

_к1 = ₀₁ - (_н1 s_н1) = 157 - (110,2 0,022) = 154,6 рад/с.

По точкам ₀₁, _к1, M_к1, M_п1 строим первую статическую характеристику.

Для скорости дотягивания:

Так как скорость дотягивания меньше рабочей скорости в 2,86 раза, то ₀ уменьшится в 2,86 раза, x_к - уменьшится в 2,86 раза, s_к - увеличится в 2,86 раза. Следовательно, параметры равны:

x_к2 = x_к1 / 2,86 = 0,21 / 2,86 = 0,073 Ом;

s_к2 = s_к1 2,86 = 0,084 2,86 = 0,24;

₀₂ = ₀₁ / 2,86 = 157 / 2,86 = 54,89 рад/с;

_к2 = ₀₂ - (_н1 s_н1) = 54,89 - (110,2 0,022) = 52,47 рад/с;

M_к2 = 3U_ф² / (2₀₂ x_к2) = (3 420²) / (2 54,89 0,073) = 6703 Н м;

M_п2 = 2M_к2 / (1/s_к2 + s_к2) = (2 6603) / (1/0,24 + 0,24) = 3167 Н м.

Строим по тем же точкам статическую характеристику.

4 Расчет механической части объекта управления

В электроприводе скипового шахтного подъёмника применяются кинематические схемы с двумя скипами. Так как мощность данного электропривода равна 1,2 МВт и используется четыре двигателя, то применим кинематическую схему.

Построим тахограмму электропривода v(t). Для её построения нужно знать рабочую скорость, скорость дотягивания V_д и время всего цикла t_ц (время движения скипов). По условия известна только рабочая скорость. Она равна 10 м/с. Просчитаем скорость дотягивания и время цикла:

V_д = 0,2 (a_доп l),

где a_доп - дополнительное ускорение; для скиповых подъёмников a_доп = 0,75 м/с²,

l - высота подъёма; по условию l = 400 м. Следовательно, скорость дотягивания равна:

V_д = 0,2 (0,75 400) = 3,5 м/с.

По условию известны высота подъёма и рабочая скорость. Поэтому время всего цикла равно:

t_ц = l / v = 400 / 10 = 40 с.

5. Моделирование процессов управления в системе

В процессе работы скипов может изменяться нагрузка, один из двигателей может выйти из строя, поэтому для построения достаточно точной системы регулирования синхронного положения применим частотно-регулируемые асинхронные электроприводы с векторным управлением.

Движение скипов синхронизируются по скорости. Совместное перемещение определяется задающим воздействием U_зс, поступающим на входы регуляторов скорости. Сигнал ошибки синхронизации скорости подаётся на регулятор скорости, а от него на устройства сравнения и ограничения, с коэффициентом k_с. При ограниченном сигнале на выходе регуляторов скорости и достаточно большом k_c ограниченные сигналы меньше приведенных сигналов по контуру синхронизации.

В случае ограничения выходных сигналов РС1 и РС2, обратные связи по скорости оказываются разомкнутыми, поэтому для оптимальной отработки задания по каналу синхронизации вводится сигнал разности скоростей. Ограничения РС и СО выберем равные, поэтому при ограничении сигнала РС, сигнал ошибки по каналу синхронизации будет воздействовать на скорость (снижать) опережающего двигателя.

Рис. . Структурная схема синхронизации.

На структурной схеме синхронизации контуры регулирования токов i₁ и i₂ представлены замкнутыми передаточными функциями:

,

где a_TT_µ - эквивалентные малые постоянные времени замкнутого контура тока.

Выберем двигатели мощностью 315 кВт, и рассчитаем для них полученную структурную схему.

Параметры схемы:

Т_µ=Т_п+Т_э=0.001+0.029=0.03с;

в_е=8Нмс/рад;

с=K_д=3.21;

К_от=0.649;

К_ос=0.0637;

J=0.31;

К_оп=0.5;

К_пм=0.0134.

На основе вышеизложенного, примем контур тока замкнутым, с ПИ-регулятором тока и с передаточной функцией, настроенной на технический оптимум:

.

Рассмотрим контур регулирования скорости:

Рис.Контур скорости.

Пренебрегая второй степенью дифференциальности, рассчитаем передаточную функцию регулятора скорости:

;

;

.

Получили П-регулятор скорости, равный 8.2 при настройке на ТО.

Смоделируем полученную структуру в MatLab.

Рис. .Структурная схема синхронизации в MatLab.

Составим результаты моделирования.

Работа двигателей без контуров синхронизации:

Работа двигателей с контурами синхронизации:

Как видно из графиков, отработка различных изменений режима нагружения двигателей выполняется с высокой точностью синхронизирования, максимальное расхождение положения скипов - не более 5 мм.

Повысить точность синхронизации возможно увеличением коэффициентов передаточных функций W_рсс и W_рсп, так как именно эти коэффициенты отвечают за точность синхронизации, но это может привести к увеличению колебательности и потере устойчивости системы.

По закону требуется осуществить прямой пуск асинхронного двигателя и пуск с положительной обратной связью по скорости. Чтобы этот закон не нарушить, двигатель необходимо питать от источника напряжения.

Система уравнений при питании АД от источника напряжения в осях X-Y имеет следующий вид:

Структурная схема, построенная по заданной системе, имеет вид:

Рисунок 6а - Структурная схема.

Схема, приведённая на рисунке 6а, представлена упрощенно в виде блока «AD_KZ B OSJAX (X-Y)». На рисунке 6б представлена модель системы.

Рисунок 6б - Модель системы по закону .

Моделирование производим с параметрами рабочей скорости и скорости дотягивания.

Графики зависимости (M) для рабочей скорости и скорости дотягивания приведены на рисунке 6в и 6г.

Для уменьшения пусковых токов осуществляется плавный пуск электропривода скипового подъёмника.

Рисунок 6в - График зависимости (M) для рабочей скорости.

Рисунок 6г - График зависимости (M) для скорости дотягивания.

6.2 Расчет тормозного блока

В качестве тормозного блока выбираем механический тормоз. Исходя из номинального момента двигателя выберем механический тормоз с коэффициентом запаса k_з = 1,8.

Выбираем колодочный тормоз ТКП - 300 - УХЛ4 (рис. 6) с параметрами:

D_ш = 300 мм - диаметр шкива;

m_тор = 80 кг.

Тип тормозного электромагнита МП - 301 - УХЛ2 с параметрами:

ПВ = 40 % - режим работы.

Время включения:

t_вкл. = 0,5 с - без добавочного резистора;

t_вкл. = 0,35 с - с добавочным резистором;

t_вкл. = 0,25 с - с форсировкой.

t_отказ = 0,25 с - время отказа.

Для параллельного возбуждения:

F_тяг = 1650 Н - тяговое усилие;

P_пот = 170 Вт - потребляемая мощность;

Для последовательного возбуждения:

F_тяг = 1650 Н - тяговое усилие при 60 % I_н;

F_тяг = 1050 Н - тяговое усилие при 40 % I_н;

U_ном = 220 (440) В - номинальное напряжение.

Тормоза предназначены для затормаживания и растормаживания механизма, которому придан тормоз, в разных условиях работы. Тормоза ТКП 100...300 приводятся в действие посредством короткоходового электромагнита постоянного тока МП. Работа тормоза: при затормаживании ток отключен, электромагнит не работает, шкив заторможен (принцип "fail-safe"). Под действием сжатой пружины рычаги поворачиваются на пальцах и прижимают колодки к поверхности тормозного шкива. При включении электромагнита главная пружина тормоза сжимается, и рычаги, освободившись от пружины, расходятся, растормаживая шкив. Общий вид колодочного тормоза представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 - общий вид колодочного тормоза.

6.3 Выбор блока питания.

Блок питания используется для питания системы управления электропривода (пульта управления). Выберем одноканальный блок питания БП 60.

Основные функции блока питания БП 60:

- Преобразование переменного напряжения в постоянное стабилизированное;

- Ограничение пускового тока;

- Защита от перенапряжения и импульсных помех на входе;

- Защита от перегрузки и перегрева;

- Регулировка выходного напряжения с помощью внутреннего построечного резистора в диапазоне 8% от U_{н. вых} с сохранением мощности;

- Индикация о наличии напряжения.

Технические характеристики:

- Входное напряжение, U_вх, В - 380;

- Порог срабатывания защиты по току - (1,1 … 1,5)I_max;

- Максимальная выходная мощность, P_вых, Вт - 60;

- Габаритные размеры - 72 х 90 х 58.

Выходные параметры:

- Номинальное выходное напряжение одного канала, U_{н. вых}, В - 24;

- Максимальный ток нагрузки канала, I_max, А - 2,5;

- КПД, % - 84.

Таблица 6.3.

Параметры трансформатора ОСМ1-0.063.

Номинальная мощность вторичной обмотки, кВ*А	Номинальное напряжение обмоток, В	Ixx	Uкз	КПД %	B мм	L мм	H мм	A мм	A1 мм	d мм	Масса кг
	первичная	вторичная
0.063	660	220	24	13	83	85	70	90	52	58	5.5	1.24

Принципиальная схема соединений трансформатора приведена на рис. 6.8.

Общий вид трансформатора показан на рис. 6.9.

Рис. 6.8. Трансформатор ОСМ1-0.063. Схема соединений принципиальная.

Рис. 6.9. Трансформатор ОСМ1-0.063. Вид общий.

6.4 Выбор устройств защиты

В качестве устройства защиты выбираем автоматический выключатель серии ВА - 99 с параметрами:

- Максимальный номинальный ток, I_нmax, А - 1600;

- Номинальный рабочий ток, I_н, А - 1250;

- Номинальное напряжение, U_н, В - 660;

- Количество полюсов - 3;

- Предельная коммутационная способность, I_кс, кА - 50;

- Номинальная рабочая (наибольшая) коммутационная способность, I_ксн, кА - 37,5;

- Номинальный пиковый ток к. з., I_п - 2,1I_кс.

6.5 Выбор устройства поддержания микроклимата

Минимальная температура окружающей среды по условиям У2 составляет - 45°С. Минимальная рабочая температура преобразователя и других элементов электропривода - не ниже 0°С.

Поэтому применим электронагреватель Ек1 (НТЕН - 0968): ТЭН - 200 с - 10/2.0 N220. Параметры электронагревателя приведены в таблице 6.4.

Таблица 6.4

Параметры электронагревателя ТЭН-200 с-10/2.0 N220

Номинальное напряжение, В	Номинальная мощность, КВт	Номинальная частота питающей сети, Гц
220	1	50

Нагреватели рассчитаны на однофазное напряжение 220 В. При температуре внешней среды меньше -10С контроллер выдаёт и индицирует подачу команды обогрева шкафа ПЧИ.

7. Разработка варианта конструктивного исполнения электропривода

С учетом габаритных и установочных размеров элементов электропривода выбираем шкаф с геометрическими размерами:

Высота 1000 мм;

Ширина 600 мм;

Глубина 450 мм.

Шкаф навесной, с навесной панелью, степень защиты IP40.

Ввод/вывод кабелей производится через специальные выбивные отверстия.

Автоматический выключатель встроен в боковую стенку шкафа.

Для удобства и простоты обслуживания пульт управления встроен в дверь. Здесь же находится и индикация режима работы электропривода, а так же и индикация о состоянии электропривода («перегрузка», «неисправность» и «стоп»).

Выбор комплектующих элементов и устройств разрабатываемого пульта управления представлен на последующих листах.

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта по дисциплине «Автоматизированный электропривод» были получены навыки разработки электропривода типового промышленного механизма (скипового шахтного подъёмника) с учетом современных тенденций развития данной области индустрии. Рассчитаны и выбраны дополнительные элементы, необходимые для нормальной работы системы в заданных условиях. Также получены навыки работы с различной технической документацией и справочной литературой.

Литература

1. Ключев В. И., Терехов В. М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов. - М.: Энергия, 1980. - 360с.

2. Анчаров И. Л., Ефремов Е. В., Хлебников Г. Д. Подъёмно - транспортные машины: Учеб. пособие. - М.: Изд - во Моск. ин - та коммун. хоз - ва и стр - ва, 1997. - 124 с.

3. Правила устройства электроустановок/Минэнерго Р.Ф. - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 645 с.

4. Электронные компоненты для производства. - Промэлектроника каталог 2005 г.

5. Электротехническая продукция. - Каталог общий 2005 г., издание №2: электротехническая компания «Флавир».

6. Каталог электротехнической продукции. - АО «Импульс», 2001 г.

7. Каталог коммутационных изделий. - ОАО «Смоленский завод радиодеталей», 2004 г.

8. Светодиодные коммутаторные лампы СКЛ. - ЗАО «Протон - импульс», 2005 г.

9. Электрические шкафы. Всепогодные шкафы. - АБН. Каталог 2001 г., www.ABN.ru.

10. Контрольно - измерительные приборы и средства автоматизации. - Каталог продукции НПФ «Овен», www.Owen.ru.