Проектирование электропривода лебедки носовых маневровых канатов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Условия и требования, предъявляемые к проектируемому электроприводу

Маневровое устройство предназначено для осуществления маневрирования драги в процессе отработки забоя, включает в себя систему однобарабанных лебедок носовых и кормовых маневровых канатов, бегучий такелаж и свайное устройство с подвесом, направляющими и упорами.

Конструктивно лебедки носовых маневровых канатов представляют собой однобарабанную лебедку с регулируемой скоростью вращения барабана. Как правило, эти лебедки имеют электрическую блокировку и централизованное управление, что обеспечивает ритмичную и высокопроизводительную работу драги [3, с. 91].

К лебедкам носовых маневровых канатов предъявляют следующие требования:

- максимум производительности при оптимальном расходе электроэнергии;

- высокая конструктивная надежность, бесперебойная работа электропривода в тяжелых условиях;

- привод должен иметь диапазон регулирования 5:1 [16, с. 79];

- надежным ограничением момента допустимыми значениями, обеспечивающими плавное регулирование скорости;

- возможность реверсирования механизма;

- минимальный вес и габариты.

2. Обзор и анализ систем электропривода и структур систем управления электроприводами

Для обеспечения требований предъявляемых к приводу необходимо провести анализ систем управления электроприводов. Рассмотрим системы электроприводов на базе асинхронного двигателя и двигателя постоянного тока.

Асинхронный электропривод нашел применение почти во всех областях современной промышленности, где не требуется регулировать скорость вращения вала двигателя. В силу своей простоты и надежности намного дешевле остальных типов приводов. Основная сложность внедрения асинхронного электропривода заключается в невозможности регулировать скорость вала в широком диапазоне скоростей в тех механизмах, где это необходимо. Существует три способа регулирования скорости вала асинхронного двигателя [5, с. 560]:

- изменением величины питающего напряжения;

- введением регулировочных реостатов для асинхронного двигателя с фазным ротором;

- использование преобразователей частоты (ПЧ).

Первые два способа не удовлетворяют требованиям предъявляемым к электроприводу маневровых лебедок. В настоящее время широко внедряется способ регулирования частоты вращения вала двигателя, путем изменения частоты питающего напряжения на обмотках статора машины (система электропривода - ПЧ-АД) [4]. Данная система электропривода позволяет выполнить все требования предъявляемые к электроприводу. В связи с тем, что нет необходимости поддерживать скорость на валу двигателя с большой точностью, возможно применение ПЧ со скалярным законом управления.

В настоящее время на драгах с объёмом ковша 380 литров, применяют асинхронный нерегулируемый привод [3, с. 91]. Применение нерегулируемого электропривода приводит к большим колебаниям скорости в течение рабочего цикла, это приводит к тому, что ширина стружки постоянно меняется и может превысить максимальную величину. Для обеспечения эффективной работы драги необходимо регулировать скорость движения черпаков, привод которых значительно мощнее привода боковых лебедок. Внедрение регулируемой системы электропривода маневровых лебедок позволит отказаться от регулирования скорости черпаков в течение рабочего цикла [2, с. 8].

Альтернативой для управления маневровыми лебедками драги может служить электропривод на базе двигателя постоянного тока. Двигатель привода маневровой лебедки имеет небольшую мощность, что позволяет применить систему электропривода ТП-Д [5, с. 672].

Для обоснования выбора системы электропривода для лебедки проведем сравнительный анализ двух систем электроприводов (ПЧ-АД и ТП-Д) по различным критериям:

По конструктивному исполнению:

ТП-Д: конструкция двигателя значительно сложнее, больший расход меди, необходимо постоянно прочищать («дорожить») коллектор двигателя, возможен круговой огонь при перегрузках. Как следствие большие затраты на эксплуатацию.

ПЧ-АД: лишен всех предыдущих недостатков, но обладает большим моментом при разгоне и более мягкой механической характеристикой. Существенный недостаток - сложность в управлении.

По коэффициенту полезного действия:

ТП-Д: коэффициент полезного действия:

выпрямителя составит [5, с. 663]

двигателя постоянного тока (4ПФМ280S) [6]

привода

ПЧ-АД: коэффициент полезного действия:

двухзвенного преобразователя [11]

асинхронного двигателя (4АН250S8У3) [7, с. 277]

привода

По влиянию на питающую сеть:

ТП-Д: в начале пуска имеет место значительный рост реактивной мощности, который может превышать значения в 3-4 раза больше мощности двигателя. При статической работе двигатель вносит искажения в питающую сеть. Коэффициент мощности меньше 1 и может достигать значений до 0,2 [8].

ПЧ-АД: Наводит в питающей сети гармоники. Коэффициент мощности около единицы.

По стоимости привода:

Стоимость непосредственно самого преобразователя напряжения сети, как в системе ТП-Д, так и в системе ПЧ-АД находится в одной ценовой категории. Для сравнения систем электроприводов будем использовать стоимость электрических машин.

ТП-Д: стоимость двигателя (4ПФМ280S) составит 287 т.р. [12]

ПЧ-АД: стоимость двигателя (4АН250S8У3) варьируется в различных пределах. Учитывая что данные двигателя сняты с производства, о стоимости можно судить лишь по аналогичному двигателю более новой серии. Так стоимость двигателя АИР 250 М8, при той же мощности составит, 62 т.р. [13].

Принимаем для текущего механизма систему электропривода ПЧ-АД.

3. Определение мощности электропривода, выбор двигателя и управляемого преобразователя

3.1 Расчет тягового усилия канатов маневровой лебедки

Исследования тяговых усилий бортовых канатов свайных драг вносят существенные поправки в принятый метод расчета мощности маневровых лебедок. Установлено, что мощность указанных лебедок должна строго соответствовать конструктивным параметрам драги и тому углу поворота драги, который обеспечивает максимальную производительность.

Большая эффективность работы драги достигается при оптимальной мощности двигателей, которая определяется из расчета скорости бортовых канатов, обеспечивающей наиболее выгодную ширину стружки, максимальных тяговых усилий канатов при наиболее выгодном угле маневрирования и оптимальном расположении береговых роликов (Табл.1).

Таблица 1

Мощность драги	Пределы оптимального расстояния между углом забоя и береговым роликом, м	Оптимальный шаг передвижки бортового ролика, м
Емкость черпака драги, л	Глубина черпания
100	неглубокого черпания	7-15	8
150	-	9-20	11
200	-	12-23	11
250	-	12-23	11
380	глубокого черпания	15-30	15

Исследования изменений тяговых усилий маневровой лебедки, проведенные ЦНИГРИ, позволили установить теоретическую зависимость, связывающую напряжение в бортовых канатах с углом поворота драги и положением роликов, отстоящих от угла забоя на расстоянии Z. Зависимость выводится на основе приведенной на рис.1 схемы.

Рис. 1 - Схема расположения усилий свайной драги. При работе драги в любой точке забоя усилия тяги и сила сопротивления пород должны удовлетворять следующему неравенству

(1)

где -. сила сопротивления пород боковому резанию, т,

- радиус действия драги, м,

- равнодействующая тяговых усилий бортовых канатов, т,

- радиус вращения точки приложения равнодействующей, м,

- угол (горизонтальный) между равнодействующей и продольной осью драги, град.

Для учета сопротивления воды, ветра и других сил в неравенство (1) вводится поправочный коэффициент , значение которого зависит от мощности драги и составляет 1,05-1,15.

С учетом данного коэффициента уравнение (1) принимает вид:

.(2)

Это уравнение не позволяет исследовать изменение тяговых усилий на различных горизонтах черпания, но позволяет определить изменение величины в зависимости от угла поворота.

Для аналитического исследования колебания напряжений в бортовых канатах уравнение (2) преобразуется с учетом величин, характеризующих угол наклона этих канатов и расстояние оптимального расположения береговых роликов. Окончательный вид уравнения представляет собой расчетную формулу, по которой определяются требуемые усилия лебедки для любой точки забоя свай драги:

,(3)

где- угол поворота драги между осью координат у и продольной осью драги, град,

- угол между равнодействующей и ветвью бортового каната, град,

- угол в вертикальной плоскости между равнодействующей бортового каната и его горизонтальной составляющей, град.

Величина для 380-литровых драг находится по табл. 2, данные которой получены на основе экспериментальных исследований.

Таблица 2

Класс пород	Сопротивление пород боковому резанию, т
	толщина стружки 0,1-0,15 м	толщина стружки 0,2-0,3 м
I-II	10-13	15-19
III-IV	14-17	20-25
V-VI	18-25	-

Радиус действия драги при любой глубине черпания определяется по формуле:

,(4)

где - длина черпаковой рамы, м,

- радиус черпания, м,

- угол наклона черпаковой рамы к горизонту, град,

- расстояние от вертикальной плоскости, проходящей через ось верхнего черпакового барабана, до кормы, м,

- расстояние от кормы понтона до оси сваи, м.

Величина r рассчитывается по следующей формуле с точностью до ±3-5%:

,(5)

где- расстояние от нижней оси черпаковой рамы до точки крепления нижнего конца бортового каната, м,

- расстояние от вертикальной плоскости, проходящей через ось верхнего черпакового барабана, до носа, м.

Угол поворота драги задается по углу маневрирования при оптимальном расстоянии Z:

(6)

Условие оптимальности положения береговых роликов удовлетворяется при величине y, равной приблизительно r. Значения углов и определяют из построения разреза при расположении роликов по данным параметрам .

На основании изложенного материала предлагается примерный расчет тяговых усилий бортовых канатов для 380-литровой драги глубокого черпания. Исходные данные: , Z=20м, , , .

Расчет производится по среднему горизонту россыпи при Н=12-15м. Крепость пород на этом горизонте соответствует IV-V классам, для которых величина сопротивления боковому резанию т (Табл. 2).

Радиусы и определены по формулам (4) и (5). Углы и соответствуют крайнему положению драги в точке М2.

Усилия бортовых канатов определятся по формуле (3):

т.

Минимальные усилия канаты испытывают в центральной части забоя. В нашем случае их значение составит т.

Произведя расчет для разных углов поворота драги получим зависимость фактических усилий бортовых канатов от угла поворота драги:

Рис. 2 - Зависимость фактических усилий бортовых канатов от угла поворота драги: 1 - усилие при Z=20м. 2 - усилие при Z=30м

3.2 Расчет необходимой мощности двигателя

Необходимая мощность маневровой лебедки обуславливается усилиями, возникающими в бортовых канатах, и скоростью навивки их на барабан лебедки, которая связанна непосредственно с шириной стружки, скоростью черпания и углом поворота драги.

Следовательно прежде чем рассчитывать скорость навивки бортовых канатов, необходимо выяснить зависимость боковой скорости черпаков от ширины стружки b и от скорости черпания . Эта зависимость выражается формулой:

,(7)

Где t- шаг цепи, м,

- коэффициент формы черпака.

Ширина стружки связанна с конструктивными параметрами черпака и его внешней формой - конусностью. Она определяется аналитически и непосредственным замеров.

Аналитическое определение:

,(8)

где- максимально допустимое значение ширины стружки, м,

- угол конусности внешней стенки черпака, град.

Оптимальное значение b принимается на 15-20% меньше максимума во избежание трения о стенку черпака и бокового сдвига пород:

,(9)

Для получения максимальной производительности необходимо, чтобы ширина стружки была постоянна или изменялась в пределах от оптимального значения. Однако конструктивная схема движения такова, что боковая скорость черпаков постоянно меняется в больших пределах.

Для свайных драг скорость является окружной, поэтому она может быть выражена формулой:

,(10)

Где R- радиус действия драги, м,

Т- период времени за который драга делает поворот на угол .

Согласно этому уравнению, величина представляет среднюю скорость за любой заданный отрезок времени Т, не превышающий время перемещения черпаков из одного угла забоя в другой. Для определения средней скорости за период врезании двух смежных черпаков рекомендуется Т принимать в пределах 3-5 сек.

Величина является переменной, зависящей от ряда величин, которые входят в формулу:

,(11)

где- приращение величины за время Т в направлении равнодействующей бортового каната.

Формула (11) выражает аналитическую зависимость боковой скорости черпаков от конструктивных размеров драги, глубины черпания и угла поворота драги при оптимальном расположении боковых роликов.

Расстояние от центра берегового ролика до точки пересечения равнодействующей каната и черпаковой рамы определяется из уравнения:

,(12)

Где r- радиус вращения, м.

Эта величина имеет положительное или отрицательное значение в зависимости от поворота драги: при удалении драги от действующего берегового ролика будет положительной, при приближении (подтягивании) к нему - отрицательной. Ее значение определяется из уравнения:

,(13)

где- скорость навивки каната на барабан лебедки, м/сек,

- угол между равнодействующей и ветвью бортового каната, град,

- вертикальный угол между равнодействующей бортового каната и его горизонтальной составляющей, град.

Расчет боковой скорости черпаков полностью соответствует фактическим данным действующих драг. Это подтверждает справедливость вывода формулы (11).

В центральной части забоя боковая скорость минимальна, но по мере приближения драги к углам забоя прогрессивно возрастает. В этом случае ширина стружки по отношению к центральной части забоя возрастает, и таким образом превосходит как оптимальное, так и максимальное значение. В результате увеличения сопротивлений в угловых частях забоя возрастают потери мощности маневрового привода.

Для исключения возможности больших колебаний ширины стружки можно постепенным повышением скорости черпания или снижением скорости навивки боковых канатов. Первое практически трудно осуществимо, кроме того, требует резервной мощности главного привода драги. Второе применяется на действующих драгах. Благодаря уменьшению числа слоев каната на барабане в противоположном углу забоя навивка каната производится с минимальной скоростью. Это снижает боковую скорость черпаков и уменьшает ширину стружки. По мере приближения драги к противолежащему углу число слоев каната на барабане увеличивается, отчего дополнительно возрастает скорость навивки каната. В этой части забоя ширина стружки увеличивается в силу указанной зависимости (11) и большего чиста слоев на барабане.

Непрерывное поддержание наиболее выгодной ширины стружки должно автоматически регулироваться, что может быть осуществлено только при изучении характеристики (закономерности изменения) бокового движения черпаков и скорости навивки канатов на барабан лебедки.

Зная оптимальную ширину стружки при оптимальном расположении береговых роликов, по формуле (13) для любой драги можно исследовать предельные колебания скорости навивки бортовых канатов и определить условия, при которых эта величина будет иметь оптимальное значение,(14)

где дополнительной величиной является , которая определяется из уравнения:

,(15)

Произведем примерный расчет скорости навивки бортовых канатов для 380-литровой драги глубокого черпания. Исходные данные: (при n=23 черп/мин), для черпаков марки С и М. При угле угол , угол . Береговые ролики находятся в пределах оптимального расстояния.

Рис. 3 - Изменение оптимальной скорости навивки бортовых канатов в зависимости от угла поворота драги: 1 - при скорости черпания 18 черп/мин. 2 - 23 черп/мин. 3 - 28 черп/мин.

Определяем приращение угла поворота драги за время Т:

.

Если драга подтягивается к рабочему органу, то значение принимается отрицательным. При этом скорость навивки бортовых канатов в противоположном углу забоя будет равна:

В центральной части забоя скорость навивки каната при постоянной ширине стружки увеличивается до 0,23 м/сек, а в прилежащем углу забоя снова снижается до 0,21 м/сек.

Кривые 1, 2, 3 (см. рисунок), изображающие изменение значения при угле маневрирования 15-70?, характеризует изменения скорости навивки бортовых канатов в пределах от 100 до 120%. Если увеличить угол маневрирования драги до 90?, то колебания скорости возрастут до 150%.

Из анализа теоретических кривых видно, что оптимальная скорость навивки бортовых канатов находится в диапазоне угла поворота драги от 15 до 85?, где колебания скорости получаются сравнительно небольшие.

Произведя анализ полученных данных, появилась возможность определить достаточную мощность двигателя маневровой лебедки.

При расчете мощности необходимо учитывать систему привода на данной драге. Для привода с асинхронным двигателем в расчет принимается максимальная скорость навивки каната, то есть скорость, которая соответствует центральной части забоя.

Определим потребную мощность при асинхронном двигателе. Расчет производится по формуле при n=23 черп/мин:

,

где- тяговое усилие бортового каната в углу забоя, кг,

- оптимальная скорость навивки каната в середине забоя - 0,23м/сек,

- к.п.д. маневровой установки, по опытным данным равен 0,8.

В середине забоя потребная мощность будет равна:

.3.3. Выбор двигателя.

Выбираем двигатель из справочника [9]: 4АН250S8У3

Номинальная мощность: ;

К.п.д.: ;

Коэффициент мощности: ;

Номинальная скорость вращения: ;

Номинальное скольжение: ;

Критическое скольжение: ;

Параметры схемы замещения о.е.:

;

;

;

;

;

Динамический момент инерции ротора: .

3.3 Расчет редуктора

Расчет ведется для типового редуктора маневровой лебедки драги ОМ-431. Выбранный редуктор имеет следующие технические характеристики [3]:

Диаметр барабана: Dб=0,66м;

Общее передаточное число редуктора: i=115.

Найдем частоту вращения навивочного барабана:

,(16)

где - линейная скорость каната, м/с,

- диаметр барабана, м.

Рассчитаем минимальную и максимальную частоту вращения барабана:

Найдем минимальную и максимальную частоту вращения вала двигателя:

Определим момент на валу двигателя по формуле:

,(17)

где - мощность двигателя валу, Вт,

- угловая скорость вала, рад/с;

.(18)

Определим момент двигателя:

Определим момент инерции редуктора и барабана [23, c. 42]:

Найдем синхронную скорость вращения магнитного поля статора. Известно, что максимально необходимая скорость вала двигателя по технологическому процессу достигает 766 об/мин. Рассчитаем для заданной скорости синхронную скорость. Для упрощения расчетов принимаем, что на данной максимальной скорости скольжение остается номинальным и равным .

Скорость вращения вала двигателя [22, c. 25]:

;(19)

Синхронная частота вращения магнитного поля статора.

;

Синхронная угловая частота вращения магнитного поля статора (18):

Частота сети на вводе двигателя:

;(20)

3.4 Расчет суммарного момента инерции механизма

Расчет суммарного момента инерции механизма состоит из расчета инерции редуктора и расчета и приведения момента инерции объекта.

В качестве объекта скорость которого мы регулируем и для которого рассчитываем момент инерции - драга. Для драги с объемом черпака q=380л, проводились исследования и расчеты по определению маховых моментов узлов драги [16, c. 54]. В данной работе все моменты даны относительно одной из сваи (см. рис. 4). На рис. 4 показан эквивалентный радиус инерции относительно сваи.

Рис. 4 - Эквивалентный радиус инерции относительно одной из свай драги

В данной работе не требуется точного соответствия реальному объекту и поэтому для уменьшения расчетов и упрощения построения расчетных схем сделаем некоторое упрощение. Примем, что драга - это поступательно перемещающийся объект с массой mмех.

Исходные данные:

Суммарный вес драги: т [16, c. 66];

Передаточное число редуктора: i=115;

Максимальная линейная скорость перемещения драги: ;

Рассчитаем момент инерции для данного объекта [23, c. 42]:

Суммарный момент инерции:

3.5 Выбор частотного преобразователя

Частотный преобразователь (ЧП) служит для управления асинхронным электродвигателем с минимальными потерями мощности при номинальной производительности. Лишь в системе электропривода ПЧ-АД обеспечивается наиболее эффективная работа привода в целом.

При выборе преобразователя частоты необходимо определить условия работы двигателя: установленную мощность двигателя, возможность перегрузки, точность задания по скорости и т.д.

Определимся с условиями работы двигателя:

Мощность АД: 45кВт;

Средняя загрузка двигателя колеблется от 82% до 97%;

Регулируемая координата - скорость вала двигателя;

Невысокая точность регулирования;

Возможны кратковременные перегрузки привода и его стопорение;

Превышение номинальной скорости двигателя: 3,8%;

В соответствии с данными условиями необходимо выбрать преобразователь частоты с ограничением по току, с диапазоном регулирования 5:1, с верхним пределом регулирования частоты выше 50Гц, с векторным принципом управления.

Выбираем из каталожных данных [14] преобразователь частоты EI-9011-060Н. Данный ПЧ имеет следующие характеристики:

Номинальное напряжение 380 В;

Номинальный ток: 96 А;

Диапазон регулирования частоты: 0,1-400 Гц;

Диапазон регулирования по скорости: 100:1;

Мгновенное отключение при перегрузке по току более 200%;

Допустимая перегрузка по току в течении 1 мин.: 150%;

Точность управления скоростью: ±0,2%;4. Расчет структурной схемы электропривода и синтез регуляторов системы управления электроприводом.

4. Расчет структурной схемы электропривода

Построение структурной схемы электропривода (ЭП) зависит от выбранного преобразователя частоты и системы управления ЭП.

В настоящее время системы управления электроприводом строятся на базе микропроцессорной техники. Все входные цепи по управлению гальванически развязаны с внешними цепями. Формирование сигналов управления выходными сигналами осуществляет программа заложенная в ПЗУ микропроцессора, функциональную схему ЭП с микропроцессорным управлением можно посмотреть в пункте 6 данной работы, либо в [18 с. 112]. Для обработки сигналов используют высокоскоростные ЦАП и быстродействующие микропроцессоры. При первом включении в тестовом режиме происходит автоматическая идентификация двигателя частотным преобразователем, рассчитываются все передаточные соотношения коэффициентов обратных связей, рассчитываются передаточные функции регуляторов и т.д. Для определения оптимальных передаточных функций с ПЧ поставляется программное обеспечение, которое в зависимости от назначения привода производит соответствующий выбор значений передаточных функций. Переходя от программной части ПЧ к силовой следует отметить, что в большинстве случаев в выходном каскаде стоят IGBT модули, т.к. в ключевом режиме работы обладают почти нулевым сопротивлением в открытом состоянии. Это говорит о том, что данные приборы выделяют меньше тепла и как следствие небольшие габариты радиаторов. Подводя итог к вышесказанному, можно сказать, что современные преобразователи на напряжение 0,4 (0,6) кВ имеют небольшие габариты и минимальный набор аналоговых элементов. Например векторные преобразователи фирмы Lanze мощностью до 2,2 кВт имеют габариты меньше самого двигателя на эту же мощность.

В данном случае выбран преобразователь частоты с векторной системой управления с прямой ориентацией по вектору потокосцепления ротора АД. Выбранная векторная система управления со стабилизацией вектора потокосцепления ротора впервые была предложена фирмой Siemens, под названием «Трансвектор». Данная система обеспечивает стабилизацию координат по двум каналам: стабилизация модуля потокосцепления и стабилизация по каналу управления скорости вращения ротора.

Выбор векторной системы управления электроприводом обосновывается тем, что необходимо ограничивать ток в цепи статора асинхронного двигателя во время пуска.

Переходя непосредственно к построению структурной схемы необходимо указать базовые дифференциальные уравнения при помощи которых строится данная структурная схема. В несколько упрощенном виде данные уравнения можно найти здесь [20, с. 210], а так же и упрощенную структурную схему. В более подробном виде данный вопрос рассмотрен в [18, c. 66]. Структурная схема векторной системы управления с ориентацией по потокосцеплению ротора двигателя изображена на рис. 4. В основу данной структурной схемы взята структурная схема из [20, c. 218] изменения были произведены в соответствии с рекомендациями изложенными в [24].

Произведем расчет данной структурной схемы в абсолютных единицах для практической реализации в приложении Simulink пакета Mathlab. Для расчета структурной схемы были использованы методики изложенные в [20, c. 214], [21] и [8].

Исходные данные для расчета структурной схемы.

Двигатель: 4АН250S8У3;

Номинальная мощность: ;

К.п.д.: ;

Коэффициент мощности: ;

Значения коэффициентов при загрузке двигателя на 50% от номинала:

К.п.д.: ;

Коэффициент мощности: ;

Номинальная синхронная скорость:

Максимальная частота сети:

Максимальная синхронная скорость:

Максимальная частота сети:

Максимальная скорость вращения: ;

Номинальное скольжение: ;

Кратность максимального момента: ;

Параметры схемы замещения о.е.:

; ; ; ; ;

Динамический момент инерции ротора: ;

Активное сопротивление обмотки статора:

Расчет параметров электрической Г-образной схемы замещения асинхронного двигателя.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5 - Г-образная схема замещения АД для нормального режима

Данный расчет будет произведен по методике предложенной в [25].

Коэффициент загрузки:

;

Мощность при данном коэффициенте загрузки:



Синхронная частота сети:

Номинальная частота вращения ротора при 50Гц:

Номинальный момент:

Пусковой момент двигателя:

Номинальный ток статора:

Пусковой ток:

Ток при загрузке двигателя на 50% от номинала:

Расчетные коэффициенты для расчета расчета тока холостого хода:

Ток холостого хода:

Предварительное значение жесткости:

Поправочный коэффициент расчета Г-образной схемы замещения:



Коэффициенты для расчета критического скольжения:

Критическое скольжение:

Определение угла сдвига фаз при х.х.:

Активная часть тока:

Активная часть тока при х.х.:

Расчет коэффициентов для уточнения жесткости механической характеристики:



Уточненная жесткость механической характеристики АД:

Расчет сопротивлений АД Г-образной схемы замещения:

Расчет ЭДС в машине:

Определение сопротивления взаимоиндукции:

Переходные индуктивности статора и ротора:

Взаимная индуктивность статора и рота приведенная к статору:



Индуктивность статора и ротора:

Рассчитаем активное сопротивление для рабочей температуры согласно рекомендациям [26, c. 90].

Расчет коэффициента для перевода сопротивлений:

Расчет сопротивлений с учетом температурного коэффициента:

Реальные реактивные сопротивления будут отличаться от расчетных, т.к. двигатель работает при повышенной частоте сети. Введем поправочный коэффициент по частоте:

Расчет реактивных сопротивлений с учетом поправочного коэффициента:

Коэффициент магнитной связи статора и ротора:

Коэффициент рассеяния машины:



Расчет коэффициентов структурной схемы.

Принимаем максимальное значение сигнала управления равное 10 В.

Потокосцепление статора и ротора:

Определим базисные проекции амплитуды тока статора на оси х и у исходя из максимального момента по технологическому процессу.

Найдем проекцию полного тока на ось у:

;

Определим действующий активный ток:

Найдем полный номинальный ток:

Найдем номинальный реактивный ток:

Найдем проекцию полного тока на ось x:

Найдем базисные проекции токов с учетом перегрузки частотного преобразователя по току:



Коэффициент обратной связи по потоку:

Коэффициент обратной связи по току:

Коэффициент обратной связи по скорости:

Коэффициент передачи преобразователя по напряжению и постоянная времени:

4.2. Синтез регуляторов.

Синтез регулятора тока.

Запишем передаточную функцию разомкнутого контура стабилизации тока:

где - суммарное активное сопротивление фазы двигателя.

Желаемая передаточная функция разомкнутого контура стабилизации тока:



Принимаем соответствии с настройкой регулятора на МО, .

Вычислим передаточную функцию регулятора:

Обозначим:

Тогда выражение примет вид:

Синтез регулятора потока.

Запишем передаточную функцию разомкнутого контура стабилизации потока:

где

Передаточная функция замкнутого контура регулирования потока:



Желаемая передаточная функция разомкнутого контура стабилизации потока:

Принимаем в соответствии с настройкой регулятора на МО, а некомпенсированную постоянную времени принимаем .

Вычислим передаточную функцию регулятора:

Обозначим:

Тогда выражение примет вид:

Синтез регулятора скорости.

Запишем передаточную функцию разомкнутого контура стабилизации скорости:



Передаточная функция замкнутого контура регулирования потока:

Желаемая передаточная функция разомкнутого контура стабилизации потока:

Принимаем соответствии с настройкой регулятора на МО, а не скомпенсированную постоянную времени .

Вычислим передаточную функцию регулятора:

5. Расчет регуляторов

Регулятор тока:

Регулятор потока:

Регулятор скорости:

В канале управления потоком при синтезе регулятора тока мы приняли длину проекции базисного тока на ось х равной проекции на ось у. Расчетная длина проекции на ось х отличается от принятой при синтезе регулятора тока. Для ограничения длины вектора необходимо ввести звено ограничения сигнала. Найдем необходимое напряжение ограничения сигнала из пропорции:



Расчет в первом приближении времени разгона драги до номинальной скорости из основного уравнения привода:

Отсюда найдем время разгона:

Рассчитанная структурная схема смоделирована в приложении Simulink пакета Mathlab. На рис. 6 представлена рассчитанная структурная схема векторного управления асинхронным двигателем в абсолютных единицах.



Рис. 6 - Графики переходных процессов полученные при моделировании с прибора Scope

На графике (см. рис. 6) изображены переходные процессы пуска, реверса и останова привода. В звене ограничения ускорения выставлена наиболее оптимальная скорость нарастания сигнала, т.к. привод разгоняется за расчетное время 5,3с. 4.3. Расчет структурной схемы в относительных единицах.

Для расчета структурной схемы в о.е. необходимо задаться базисными значениями [8], [24]. Расчет структурной схемы в относительных единицах позволяет более качественно оценить переходные процессы в электроприводе. В качестве базисного тока принимаю проекцию вектора полного тока на ось у с учетом перегрузочной способности преобразователя.

Базисный ток по каналу потока:

Базисная угловая скорость:

Базисный момент:

Базисное напряжение сигналов управления:

Базисное потокосцепление:

Базисное напряжение:

Базисное сопротивление:

Номинальный рабочий ток двигателя:

Общая формула перевода абсолютных величин в о.е.:

Перевод тока:



Угловая скорость:

Потокосцепление:

Перевод коэффициентов обратных связей осуществляется по формуле:

Расчет коэффициентов:

Расчет передаточных коэффициентов звеньев структурной схемы в о.е.

Преобразователь:

Звено электрической части двигателя:

электропривод двигатель мощность лебедка



Регулятор скорости:

Инерционная постоянная привода:

Расчет момента инерции:

На рис. 7 изображена структурная схема в относительных единицах смоделированная в приложении Simulink пакета Mathlab.

Рис. 7 - Переходные процессы в приводе при пуске, реверсе и останове привода

Определим по графику статическую ошибку по скорости.



Рис. 8 - График к определению статической ошибки

, .

Статическая ошибка будет равна:

Статическая ошибка в процентах:

Расчетная ошибка удовлетворяет критериям качества и не выходит за пределы допустимого (5%).

Расчет динамической ошибки при линейно возрастающем сигнале:

где - ускорение привода.

Динамическая ошибка в процентах:



Суммарная ошибка по скорости в переходном процессе при линейном задании:

В процентах:

6. Описание принципиальной схемы

Принципиальная схема преобразователя частоты изображена в графическом приложении к данной работе. Вкратце рассмотрим работу выбранной схемы управления электроприводом.

Прежде чем начать рассмотрение принципиальной схемы отметим, что схема условно разделена на две части, это силовая часть и часть управления. Начнем рассмотрение работы схемы с силовой части выполненной в классическом стиле для такого рода ПЧ.

Силовая часть.

Силовая часть состоит из трех звеньев: трехфазный выпрямитель, звено постоянного тока и силовой инвертор на IGBT транзисторах.

После пуска привода блок М1 (блок микроконтроллера) дает нулевой сигнал по проводу M_ENABLE, в следствии чего транзистор M_Q7 закрыт и реле MK1 разомкнуто. Происходит проверка модулем М1 соответствует ли напряжение сети допустимому по проводу M_4_DC_IN. Одновременно с проверкой происходит зарядка буферных конденсаторов M_C1, M_C2, заряд которых контролируется модулем М2 по проводу M_V+. При достижении номинального напряжения модуль М1 по проводу M_ENABLE подает высокий уровень и коммутирует контакты КМ1, которые шунтируют токоограничивающее сопротивление с отрицательным температурным коэффициентом. Сразу после этого момента проверяется ток в цепи инвертора посредством шунта M_R1, проверяется работа инвертора путем проверки работоспособности транзисторов, через модуль делителя напряжения BEMF DIVIDES. Дальнейшая работа транзисторов происходит в ключевом режиме с частотой переключения порядка 6-8 кГц. Стоит отметить тот факт, что при перегрузке, отключение инверторов происходит за время .

Блок управления.

Блок управления состоит из пяти модулей: модуль контроллера, модуль питания, модуль аналоговый, модуль входных сигналов, модуль управления инвертором.

Рассмотрим работу и связь данных модулей.

В модуле микроконтроллера (МК) М1 находится высокоскоростной контроллер фирмы Z8 Encore!, предназначенный для векторного управления асинхронными машинами. Программа, заложенная в МК производит коммутацию ключами, проверку всех напряжений и токов. Управляются ключи через блок М4. Данный блок содержит высоковольтные драйвера (IR21064S) управления полумостовым преобразователем. Блок не содержит развязывающих гальванических цепей, что увеличивает быстродействие. Необходимо уточнить, что данный тип драйверов содержит встроенные защиты от повышенного напряжения, от бросков тока и напряжения.

Управляющие сигналы на МК подаются через блок гальванической развязки М5, все сигналы, входящие в этот блок отделены оптопарами. Через данный блок осуществляется связь с компьютером, позволяющая контролировать параметры в режиме реального времени, вести отладку программы в МК, задавать параметры работы, изменять значения коэффициентов и т.д.

Для контроля работы двигателя непосредственно на рабочем месте предназначен модуль М3, содержащий в себе быстродействующий ЦАП (DAC5574IDGS). Данный модуль преобразует цифровой сигнал в аналоговый для последующего наблюдения диаграмм на экране осциллографа.

Все модули питаются от модуля М2, который содержит высокочастотный импульсный стабилизатор напряжения (по методу ШИМ). Входная высоковольтная часть на LNK304G, подключается непосредственно к звену постоянного тока, на выходе выдает стабилизированное питание 12 В. Для формирования второго напряжения применяется параметрический стабилизатор UA78M33CSCYR.

Управление данным преобразователем осуществляется посредством ЭВМ через разъем M_P3. При эксплуатации данного преобразователя в этот разъем подключается модуль преобразования сигнала, при помощи которого и происходит управление ПЧ.

Ниже приведена функциональная схема ПЧ.

Рис. 9 - Функциональная схема ПЧ

Список использованной литературы

1. Методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине для профилизации "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов" (ЭГП) направления 551300 - "Электротехника, электромеханика и электротехнологии". В.В. Елисеев. Екатеринбург: УГГГА, 1997 г. - 12 с.

2. Колыма №11 1963 г.

3. Справочник дражника. Лешков В.Г. 1967г., изд-во "Недра" - 496с.

4. Электропривод переменного тока с управляемым преобразователем частоты - современное состояние. Карякин А.Л. УГГУ - 7с.

5. Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. для вузов. - 2-е изд. М.: Энергоатомиздат, 2001г. - 704с.

6. Сайт фирмы DC MOTOR. Основные характеристики ДПТ: http://dcmotor.ru/production/dcmotors/betz/?id=16.

7. И.П. Копылов. Проектирование электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 1993г. - 454с.

8. Конспект лекций: Автоматизированный электропривод. УГГУ. Елисеев В.В. 2009г. - 80с.

9. Асинхронные двигатели серии 4А. Справочник. А. Э. Кравчик, 1982г. - 504с.

10. Курсовое проектирование деталей машин: Учеб. пособие для учящихся машиностроительных специальностей техникумов. С.А. Чернавский, К.Н. Боков, И.М. Чернин и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1988г. - 416с.

11. Журнал «Новости Электротехники» № 2 (32) 2005г.

12. Сайт фирмы "ЭЛЕКТРОПРОЕКТ". Прайс на ДПТ: http://www.elp.ru/catalogue/1/4/1.

13. Сайт фирмы ООО "ЭЛЕКТРОАГРЕГАТ". Прайс на АД: http://www.el-agregat.ru/prices/enginesprom.doc.

14. Сайт компании "ВЕСПЕР". Спецификация на преобразователи векторного типа EI-9011: http://www.vesper.ru/catalog/invertors/ei-9011/specification/

15. Белов М.П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: учебник для студ. высш. учеб. заведений / М. П. Белов, В. А. Новиков, Л. Н. Рассудов. 3-е изд., испр. М. : Издательский центр «Академия», 2007. - 576 с.

16. Отчет по теме: "Исследование электроприводов черпакового механизма и носовых лебедок многочерпаковых драг". Багаутинов Г.А., Троп А.Е., Косулин Г.А., и др. СГИ им. В.В. Вахрушева. Свердловск, 1964. - 185с.

17. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. - 392 с., ил.

18. Рудаков В. В. и др. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. В. В. Рудаков, И. М. Столяров, В. А. Дартау. - Л. Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1987,- 136 с.

19. Z8 Encore! MC™Family, "Vector Control Development Kit". User Manual. UM021402-0407. 2007 by ZiLOG, Inc. All rights reserved. www.zilog.com

20. Терехов В.М. Системы управления электроприводов: учебник для студ. вузов/ В.М. Терехов, О.И. Осипов; под ред. В.М. Терехова. - 3-е изд., стер. - М.: Издательский центр "Академия", 2008. - 304с.

21. Алексеев В.В., А471. Электрические машины. Моделирование электрических машин приводов горного оборудования: Учеб. пособие / В.В. Алексеев, А.Е. Козярук, Э.А. Загривный. Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). СПб, 2006. 58 с.

22. Полузадов В.Н. Электрические машины. Часть 3. Асинхронные машины: Конспект лекций. 2-е издание, исправленное и дополненное. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2005. 87 с.

23. Чулков Н.Н. Расчет приводов карьерных машин. - М.: Недра. 1987. - 196c.

24. Конспект лекций: Системы управления электроприводов. УГГУ. Карякин А.Л. 2009. - 80с.

25. Мощинского Ю.А. и др., "Определение параметров схемы замещения асинхронных машин по каталожным данным". Ж.: "Электричество" в №4/98. 1998, стр. 38-42.

26. Полузадов В.Н., Дружинин А.В. Проектирование трехфазного двигателя с короткозамкнутым ротором: Учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2005. - 202с.

27. Александров К.К. Электротехнические чертежи и схемы/ К.К. Алексанров, Е.Г. Кузьмина. - 3-е изд., стереот. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 300с., ил.

28. ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах.

Размещено на Allbest.ru