Размещено на http://www.allbest.ru/

БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Электропривод и АПУ

Курсовой проект

по дисциплине

Теория электропривода

на тему:

Проектирование электропривода клетьевого шахтного подъемника

Выполнил:

студент группы ЭПЗ-011

Степура В.В.

Проверил:

Слука М.П.

Могилев, 2005

Содержание

• Введение

1. Анализ и описание системы «электропривод - рабочая машина»

• 1.1 Тахограмма требуемого процесса движения
• 1.2 Количественная оценка моментов сопротивления
• 1.3 Построение нагрузочной диаграммы и механической характеристики рабочей машины
• 2. Анализ и описание систем «ЭП - сеть» и «ЭП - оператор»
• 2.1 Анализ и описание системы «электропривод - сеть»
• 2.2 Анализ и описание системы»электропривод - оператор»
• 3. Выбор принципиальных решений
• 3.1 Построение механической части привода
• 3.2 Выбор типа привода
• 3.3 Оценка и сравнение выбранных вариантов
• 4. Расчет силового электропривода
• 4.1 Расчет параметров и выбор электродвигателя
• 4.2 Расчет параметров и выбор силового преобразователя
• 5. Расчет статических, механических и электромеханических характеристик двигателя и привода
• 5.1 Расчет механической и электромеханической характеристик двигателя
• 5.2 Расчет механической характеристики привода
• 6. Расчет переходных процессов электропривода за цикл работы
• 7. Разработка схемы электрической принципиальной
• Заключение

Список литературы

• Введение

Задача данного курсового проекта - разработать электропривод клетьевого шахтного подъёмника.

Цель курсового проекта - получить навыки в расчете электропривода, выборе элементов электропривода, расчете механической части, а также статических характеристик привода и переходных процессов

1. Анализ и описание системы “электропривод - рабочая машина”

1.1 Тахограмма требуемого процесса движения

Цикл работы клетьевого шахтного подъёмника состоит из частей:

1) разгон клети до номинальной скорости;

2) движение на номинальной скорости;

3) переход на пониженную скорость;

4) движение на пониженной скорости;

5) торможение;

6) пауза;

7) повторение пунктов 1-6 в обратном направлении.

Рассчитаем параметры тахограммы: по заданию имеем допустимое ускорение =0.4 м/с², тогда время разгона до скорости v₁=0,9 м/с

(1.1)

Расстояние которое он пройдет за это время :

(1.2)

Найдем время перехода на пониженную скорость v₂, которую предварительно примем равной 0.3 м/с.

(1.3)

Путь пройденный клетью за время t₃:

(1.4)

Путь который пройдет клеть на скорости v₁ и время прохождения этого пути:

(1.5)

где H - высота подъема(опускания) H=43м;

(1.6)

Время до полной остановки:

(1.7)

(1.8)

Путь пройденный на скорости v2:

(1.9)

(1.10)

Время работы привода:

t = 2*(t₁+ t₂+ t₃+ t₄+ t₅) = 139,1c(1.11)

t_п=0,4* t t_п=0,4*139,1=55,7 c (1.12)

Суммарное время цикла:

T_ц= t+ t_п Tц=139,1+55,7=194,8 c(1.13)

Найдем ПВ%

(1.14)

Двигатель работает в режиме S3.

1.2 Количественная оценка моментов сопротивления

Для приведения моментов необходимо рассчитать оптимальное передаточное число редуктора. Для этого предварительно рассчитаем мощность двигателя, выберем несколько двигателей с разными частотами вращения и для каждого двигателя рассчитаем суммарные моменты инерции первой массы (до муфты) и второй массы (после муфты).

Из соотношения этих масс и найдем оптимальное передаточное число редуктора, а затем определим необходимую номинальную скорость двигателя.

Расчет производится в MathCad и приведен в приложении А.

В результате расчета определили, что необходимо использовать редуктор с передаточным числом i=120. Двигатель должен быть рассчитан на номинальную скорость порядка 940 об/мин.

Кроме того, в приложении А приведен расчет пониженной скорости для обеспечения требуемой точности останова клети.

В результате расчета, получили необходимую пониженную скорость Vпониж=0.326м/с, которая лишь незначительно превышает предварительно принятую V=0.3м/с. Поэтому принимаем пониженную скорость равной 0,3м/с.

Тогда пониженная скорость двигателя равна

Статический момент на валу двигателя:

, (1.15)

где - вес клети;

- вес груза, груз составляет 80% от грузоподъёмности, так как коэффициент загрузки клети К=0.8:

(1.16)

- вес противовеса, так как противовес уравновешивает, пустую клеть и 20% груза, то

(1.17)

- радиус приведения:

(1.18)

- КПД передачи, принимаем приблизительно = 0,8.

1.3 Построение нагрузочной диаграммы и механической характеристики рабочей машины

Упрощенная нагрузочная диаграмма дополняется динамическими моментами. Для этого рассчитаем угловое ускорение:

(1.19)

Динамическая составляющая момента:

(1.20)

Нагрузочная диаграмма совместно с тахограммой представлена на рисунке 1.2.

Одна часть характеристик - подъем груза, когда статический момент нагрузки направлен против скорости, другая - опускание, когда статический момент совпадает по направлению со скоростью. Динамический момент прибавляется, либо отнимается в зависимости от того, разгоняется привод или тормозит.

Зная моменты нагрузки, можно построить механические характеристики рабочей машины. Характеристики представлены на рисунке 1.3. Тип механической характеристики нагрузки - крановая (активная).

2. Анализ и описание систем “ЭП - сеть” и “ЭП - оператор”

2.1 Анализ и описание системы “электропривод - сеть”

Целью данного анализа является оценка влияния параметров питающей сети на работу электропривода [2].

Источником питания электропривода служит трехфазная сеть переменного тока, обладающая свойствами источника напряжения. Величина напряжения сети - 380/220 В, частота - 50 Гц. Вместе с тем стандартами допускается колебание напряжения сети в пределах 10%. Колебание частоты питающее сети ограничивается 1%. Колебания напряжения сети оказывают существенное влияние на электродвигатели переменного тока, так как момент, развиваемый двигателем в этом случае пропорционален квадрату питающего напряжения. Для двигателей постоянного тока колебания сети не оказывают значительного влияния, так как максимальный момент, развиваемый двигателем пропорционален величине питающего напряжения. При использовании двигателя постоянного тока в качестве приводного двигателя необходимо согласовать схему выпрямления с требуемым значением выпрямленного напряжения.

2.2 Анализ и описание системы “электропривод - оператор”

Система управления электроприводом строится в зависимости от выполняемых функций и требований технологического процесса. Как правило, схема управления требует наличие оператора.

К системе управления предъявляется ряд требований:

- необходимость обеспечения условий безопасного управления и обслуживания электропривода;

- создание ряда дополнительных защит и блокировок от аварийных режимов;

- простота управления.

3. Выбор принципиальных решений

3.1 Построение механической части привода

Кинематическая схема электропривода механизма подъема изображена на рисунке 3.1.

Вал двигателя через муфту соединен с входным валом редуктора. Редуктор понижает скорость вращения и одновременно увеличивает момент. Выходной вал редуктора соединен с барабаном. Через барабан и направляющие шкивы протянут канат, посредствам которого и осуществляется подъём (опускание) клети. К канату также крепится противовес для уравновешивания клети.

3.2 Выбор типа привода

Для приведения в движение механизма шахтного клетьевого подъемника можно использовать несколько вариантов двигателей. Это может быть двигатель постоянного тока независимого возбуждения, может быть асинхронный двигатель.

Можно применять двигатели общепромышленного исполнения, а также промышленностью выпускаются специальные крановые серии двигателей постоянного и переменного тока. Каждый из этих двигателей имеет свои достоинства и недостатки. Так, например, двигатели постоянного тока позволяют легко и хорошо регулировать скорость вращения, но по габаритам они превосходят двигатели переменного тока. Асинхронные двигатели по габаритам меньше, но система регулирования двигателей переменного тока сложнее.

Возможными способами регулирования скорости вращения двигателей постоянного тока, являются регулирование напряжения питания с помощью управляемых выпрямителей и введением дополнительного сопротивления в якорь.

Для управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором можно использовать преобразователь частоты.

Для управления асинхронным двигателем с фазным ротором можно использовать каскадную схему.

Все эти способы так же отличаются друг от друга сложностью, потерями, стоимостью и требуют выбора оптимального способа регулирования для каждого конкретного случая.

Ниже приведены возможные решения с учетом предъявляемых к приводу требований.

1. двигатели общепромышленного исполнения с короткозамкнутым ротором, частотное управление;

2. двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, регулирование напряжения с помощью управляемого выпрямителя;

3. двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, реостатное регулирование;

- Каскадная схема включения асинхронного двигателя с фазным ротором.

3.3 Оценка и сравнение выбранных вариантов

Оценка и сравнение данных вариантов осуществляется с помощью метода экспертных оценок. Выбираем несколько критериев сравнения. В нашем слачае это: массогабаритные показатели, потери, стоимость, надежность и плавность регулирования.

Каждому из этих критериев присваиваем определенный максимальный бал и затем производим оценку вариантов по этим критериям, выставляя им соответствующие балы. После этой процедуры производится подсчет баллов, набранных каждым из вариантов, и выбирается тот вариант, который имеет наибольший суммарный балл.

Из данных соотношений видно, что максимальный суммарный балл имеет двигатель с короткозамкнутым ротором при использовании частотного управления.

4. Расчет силового электропривода

4.1 Расчет параметров и выбор электродвигателя

Для предварительного выбора двигателя воспользуемся методом эквивалентного момента, который позволяет оценить двигатель по нагреву и по перегрузочной способности.

Привод работает в расчетном режиме S3. Тогда величину эквивалентного момента находим по формуле:

(4.1)

где М_i - величина статического момента на i-ом участке нагрузочной диаграммы, Нм;

t_i - время работы с моментом М_i, с;

T_ц - время цикла,

t_п - время паузы.

Подставляя величины времени и моментов в формулу, находим величину эквивалентного момента:

(4.3)

За номинальную расчетную скорость двигателя принимаем номинальную скорость предварительно выбранного ранее двигателя (при расчете передаточного числа редуктора) _{н. расч} = 98,4 рад / с.

Величина расчетной мощности равна:

Р_2РАСЧ = М_{rasch н.расч} =98·98,4=9655 Вт.(4.4)

Таким образом, нам подходит предварительно выбранный из [5] электродвигатель (см. приложение А) с короткозамкнутым ротором c повышенным скольжением 4АС160S6У3 номинального режима S3. Действительно, это ближайший по мощности двигатель с повышенным скольжением. Его паспортные данные:

- номинальная мощность Р_Н = 12 кВт;

- синхронная частота вращения ₀ = 104,72 рад / с;

- номинальная частота вращения _Н = 98,44 рад / с;

- номинальный коэффициент мощности cos _Н = 0.85;

- номинальный коэффициент полезного действия _Н = 82,5 %;

- отношение максимального момента = 2.1;

- отношение пускового момента = 1.9 ;

- отношение пускового тока I _П / I _Н = 6.5;

- момент инерции J_ДВ = 0.1425 кг м².

- ПВ%=40%

Найдем номинальный момент двигателя:

М_Н = Р_2Н / _Н =12000/98,4=121,9 Н м (4.5)

Условие М_Н М_ЭКВ выполняется, значит, двигатель проходит по нагреву.

Критический момент двигателя:

(4.6)

Пусковой момент двигателя:

(4.7)

Определим значения критического и пускового моментов с учетом возможной десяти процентной просадкой напряжения сети:

Максимальный из моментов нагрузочной диаграммы:

(4.9)

Как видно из полученных значений моментов, выбранный двигатель обеспечивает пусковой и максимальный момент нагрузки, что свидетельствует о правильности его выбора.

Кроме того, максимальный момент превышает сумму статического и динамического моментов, т.е. двигатель будет обеспечивать требуемую динамику переходных процессов.

4.2 Расчет параметров и выбор силового преобразователя

Условия выбора преобразователя частоты:

U_ВЫХ=380 В.

Р_НОМ.ПЧ.>= P_НОМ.ДВ,=12кВт.

Выбираем преобразователь частоты Оmron 3G3HV-А4150-СЕ. Его параметры [6]:

- номинальная выходная мощность преобразователя - 15 кВт;

- номинальный выходной ток - 34 А;

- максимальные входное и выходное напряжения - 400В;

- выходная частота - 0.1-400 Гц.

Для регулирования частоты выходного напряжения применяется напряжение от 0 до 10 В.

Имеется встроенный дроссель, позволяющий подавить гармоники и снизить резкие и большие изменения тока.

Преобразователь обеспечивает торможение. Время разгона и торможения двигателя задается независимо друг от друга в интервале от 0 до 3600 секунд. Могут быть заданы два значения времени разгона и два значения времени торможения. Для организации торможения, выбираем стандартный блок тормозного резистора 3G3IV-PERF151W-J200T. Для уменьшения помех, поступающий на инвертор со стороны линии питания, а также уменьшения помех, поступающей в линии питания от инвертора, фильтр 3G3FV-PFI4040-E.

Также в преобразователе имеется встроенный регулятор тока и есть возможность организовать пропорциональный (П), пропорционально-интегральный (ПИ) или пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор скорости.

Для преобразователя не нужен трансформатор.

5. Расчет статических механических и электромеханических характеристик двигателя и привода

5.1 Расчет механической и электромеханической характеристик двигателя

Для асинхронного двигателя расчет статических механических характеристик ведется по формуле Клосса.

Величина критического скольжения находится по формуле:

(5.1)

где _К= - кратность максимального момента,

_П= - кратность пускового момента

Формула для расчета механической характеристики имеет вид:

;(5.2)

где

(5.3)

Подставляя в формулу Клосса различные значения скольжения, получаем ряд точек, по которым строим естественную механическую характеристику двигателя. Расчет механической характеристики двигателя проводим с помощью пакета Mathcad 11 .

Расчет электромеханической характеристики - зависимости тока статора I₁ от скольжения S производится с использованием следующей формулы:

,(5.4)

Где

- относительный ток намагничивания ротора:

- относительный ток намагничивания двигателя.

- относительный ток ротора:

Расчет электромеханической характеристики двигателя производим с помощью пакета Mathcad 11. Расчет приведен в приложении В.

График электромеханической характеристики представлен на рисунке 5.2.

5.2 Расчет механической характеристики привода

Так как выбранный преобразователь частоты позволяет осуществить построение замкнутой системы электропривода с внешним контуром, включающим ПИ-регулятор, а также согласно требованиям технологического процесса, разрабатываемую систему выполним замкнутой.

Вследствие наличия ПИ-регулятора во внешнем контуре скорости, проектируемая система будет астатической.

Статические механические характеристики привода представляют собой прямые, параллельные оси абсцисс и имеющие ординаты, соответствующие рабочим скоростям механизма. Данные прямые будут ограничены перегрузочной способностью машины.

Статические механические характеристики привода приведены на рисунке 5.3.

6. Расчет переходных процессов электропривода за цикл работы

Моделирование работы электропривода будем проводить в среде Mathlab 6.5.

При регулировании зависимость момента допустимого по нагреву двигателя от скорости должна повторять зависимость момента статического от скорости.

Для управления приводом будем использовать двухконтурную систему автоматического регулирования с вольт/частотным управлением при постоянстве с последовательной коррекцией звеньев, с внутренним контуром регулирования момента и внешним контуром регулирования скорости.

При вольт/частотном управлении организуется два канала управления: канал управления частотой питания и канал управления напряжением. Стабилизация скорости осуществляется путем регулирования напряжения в функции частоты и в функции нагрузки.

Стабилизация обеспечивается компенсационным методом.

При моделировании будем считать, что канал регулирования напряжения, обеспечивает необходимое задание напряжения для стабилизации .

Так как частота коммутации вентилей в преобразователе частоты очень велика, то его постоянная времени очень мала и ей можно пренебречь. Преобразователь частоты при моделировании представим линейным звеном с коэффициентом передачи К_ПЧ.

Мы имеем двухмассовую расчетную схему механической части. Выражения для двухмассовой расчетной схемы в операторной форме:

 (6.1)

Значение М_С зависит от вида нагрузки. Так как нагрузка активная (потенциальная), то М_С=Const. электропривод двигатель

Для моделирования асинхронного двигателя используем линеаризованную модель:

(6.1)

или в операторной форме:

(6.2)

где - жесткость характеристики, определяется по формуле:

; (6.3)

- электромагнитная постоянная времени двигателя, определяется по формуле:

(6.4)

Рассмотрим канал регулирования частоты.

Вследствие того, что в асинхронном электроприводе сложно измерять момент двигателя, вместо регулирования момента по отклонению применяют регулирование по возмущению. Т.к. возмущающим воздействием для контура регулирования момента является скорость, то будем вводить положительную обратную связь по скорости, с коэффициентом передачи .

Регулировать скорость двигателя будем по отклонению, вводя отрицательную обратную связь по скорости.

Структурная схема канала регулирования частоты представлена на Рассмотрим контур регулирования момента.

Для статического режима:

(6.5)

Нулевая ошибка будет обеспечена, если:

(6.6)

.(6.7)

Максимальное значение момента двигателя:

.(6.8)

Коэффициент передачи преобразователя по частоте определяется отношением максимального сигнала на выходе преобразователя к максимальному сигналу на выходе регулятора момента:

.(6.9)

Находим К_рм:

(6.10)

Регулятор момента представляется в виде П - регулятора .

Предельное значение коэффициента усиления обратной связи, обеспечивающее регулирования момента с нулевой ошибкой:

(6.11)

Для расчета контура скорости представим контур момента в виде звена:

Обозначив , получим передаточную функцию оптимизированного контура регулирования момента:

(6.12)

где

Коэффициент передачи датчика отрицательной обратной связи по скорости рассчитывается как отношение максимальной скорости на соответствующее напряжение задания:

(6.13)

Малой некомпенсируемой постоянной времени контура регулирования скорости является электромагнитная постоянная двигателя, т.е. принимаем .

Для получения нулевой ошибки в статике и форсирования переходных процессов в динамике регулятор скорости должен быть ПИ - регулятором.

Настроим регулятор скорости на симметричный оптимум.

Желаемая передаточная функция контура скорости настроенного на симметричный оптимум:

.(6.14)

Передаточная функция объекта регулирования:

(6.15)

Разделив желаемую передаточную функцию контура скорости, на передаточную функция объекта регулирования получим передаточную функцию регулятора скорости:

(6.15)

где,

,

,

.

Полученные при исследовании графики для момента и скорости при опускании и подъеме клети приведены ниже.

Листинг m-файла модели:

J1=1.43 - момент инерции первой массы

J2=0.268 - момент инерции второй массы

Jsum=J1+J2

Mc=102.4 - статический момент сопротивления

C12=7667 - жесткость механической связи

b12=0.01 - коэффициент демпфирования колебаний

Номинальные параметры двигателя и сети:

w0nom=104.5

wnom=98.44

Pnom=12000

fc=50

U1nf=380

Cosf=0.85

kpd=0.825

Ilnf=Pnom/(3*U1nf*Cosf*kpd)

Snom=(w0nom-wnom)/w0nom

Mnom=Pnom/(w0nom*(1-Snom))

Sk=0.475

Mk=256

Te=1/(314*Sk)

b=2*Mk/(w0nom*Sk)

Tmu=Te - малая некомпенсируемая постоянная времени

Коэффициенты передачи звеньев

Kf=w0nom/10

Krm=Mmax/(10*b*Kf)

Kposs=1/(Kf*Krm)

Km=b*Krm*Kf

Kds=10/wnom

T1=4*Tmu

T2=8*Tmu*Tmu*Km*Kds/Jsum

K1=T1/T2

K2=1/T2

K=Jsum/(2*Tmu*Km*Kds)

T=194.76 - время цикла

Pvn=1532 - номинальные переменные потери мощности

a=0.66 - отношение потерь мощности

7. Разработка схемы электрической принципиальной

Схема электрическая принципиальная привода приведена в графической части курсового проекта.

Преобразователь изображен на схеме в виде блока UZ1. Преобразователь обеспечивает тепловую защиту, защиту от пропадания питания.

Перед преобразователем поставим совместимый с ним сетевой фильтр для уменьшения помех. К преобразователю подключаем блок торможения с тормозным резистором. Данные элементы были выбраны в разделе 4 при выборе преобразователя.

Управляющая программа записывается в контроллер преобразователя. Запуск на работу и останов осуществляется кнопками пуск вверх, пуск вниз и стоп (SB1,SB2,SB3).

Для контроля положения клети для перехода на пониженную скорость устанавливаем 2 путевых выключателя бесконтактных БВК (ТУ 15-526.208-75) с параметрами:

- номинальное напряжение24В

- максимальная частота200Гц

Для контроля конечных положений клети устанавливаем 2 конечных выключателя рычажных серии КУ-701А с параметрами [13]:

- частота включения в часдо 600

- предельная скорость2,5м/с

- коммутируемое напряжение<500В

Все командоаппараты подключаем к программируемым дискретным входам контроллера.

Для регулирования скорости в режиме наладки устанавливаем подстроечный резистор (RP1) на аналоговый вход преобразователя.

Входное напряжение на преобразователь подается через клеммы R, S и T. Двигатель подключается к клеммам U, V и W. К клеммам В1 и В2 подключается тормозной блок.

Необходимо обеспечить защиту электропривода от токов короткого замыкания, а также электропривод должен быть оборудован электромагнитным тормозом для фиксации рабочего органа в период паузы.

Защиту по току обеспечивает автоматический выключатель.

Номинальный ток электродвигателя 26А.

Выбираем автомат с номинальным током уставки 31,5А на 380 В:

АЕ2044-10Б ТУ 16-522064-82. Его номинальные параметры представлены ниже

Iн.авт.=63А

Iн.уст.=31,5А

Uн. = 380 В

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта был разработан электропривод клетьевого шахтного подъемника.

Загрузка выбранного двигателя составляет 93%. Силовая часть полностью обеспечивает динамику электропривода.

Работа проведена с соблюдением ГОСТов в соответствии с ЕСКД. Выполнены все требования технического задания на проект.

Список литературы

1. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод общепромышленных механизмов: учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980. - 360 с., ил.

2. Теория электрического привода. Методические указания по курсовому проектированию Часть I. Могилев.: ММИ, 1991,-65с

3. Теория электрического привода. Методические указания по курсовому проектированию Часть II. Могилев.: ММИ, 1991,-65с

4. В.И. Ключев "Теория электропривода" Москва, Энергоатомиздат, 1985

5. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник/ Кравчик А.Э. и др.-М.: Энергоатомиздат, 1982.- 504с.

6. Каталог продукции Omron. Преобразователи серии 3G3HV

7. Теория электрического привода. Методические указания по курсовому проектированию Часть Ш. Могилев.: ММИ, 1991,-65с

8. Теория электропривода: методические указания к лабораторным работам (№7, №8, №9). -ч.2 - Исследование статических характеристик асинхронных двигателей. - Могилев: Белорусско-Российский университет. 2004. 40 с.

9. Коваль А.С. Электрические аппараты низкого напряжения - Метод. указания для студентов специальности Т.11.02 - Могилев: ММИ, 1992.- 26c.

10. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: Учебник для вузов. - СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 2000. - 496 с.: ил.

11. Фираго Б.И. Теория электропривода: Учебное пособие/ Б.И. Фираго, Л. Б. Павлячик. - Мн.: ЗАО “Техноперспектива”, 2004. - 527 с.

12. Теория электрического привода. Методические указания по курсовому проектированию Часть III. Могилев.: ММИ, 1991,-41с

Размещено на Allbest.ru