Проектирование электропривода подъемной лебедки на базе двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Исходные данные для проектирования

1.1 Кинематическая схема механизма

Спроектировать электропривод (ЭП) подъемной лебедки на базе двигателя постоянного тока с независимым возбуждением (ДПТ с НВ). Принимаем безредукторный электропривод подъёма, кинематическая схема которого представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1 - Кинематическая схема механизма

кинематический электродвигатель подъемный трансформатор

1. Расчётная продолжительность движения подъёмного сосуда:

2. Время паузы:

3. Продолжительность движения:

4. Высота подъёма с учётом подъёмного сосуда:

5. Ускорения выхода и захода в разгрузочные кривые:

6. Основные ускорения подъёма и торможения:

7. Множитель скорости:

8. Средняя скорость движения:

9. Максимальная скорость движения:

Условие, что выполняется.

10. Время выхода и захода в разгрузочные кривые:

11. Грузоподъёмность подъёмного сосуда:

12. Коэффициент полезного действия (КПД) подъёмной установки:

13. Диаметр барабана:

14. Вес уравновешивающего каната на единицу длины:

15. Вес подъёмного каната на единицу длины:

16. Приведенная масса подъёма к скорости вала двигателя:

2. Расчёт и выбор приводного двигателя

2.1 Ориентировочный расчет и выбор двигателя

Ориентировочная мощность приводного двигателя определяется по формуле [2]:

где q-ускорение свободного падения =9.8м/с2;

К - коэффициент сопротивления движения подъемного сосуда = 1,15ч1,2;

Кну- коэффициент, учитывающий неравномерность подъема = 1,3.

Намечаем установки ДПТ с НВ серии П2.

Определим ориентировочную частоту вращения ротора двигателя:

Условие выбора двигателя:

Тип двигателя П22-125-9К 3700 кВт [2], выполненный в закрытом исполнении с принудительной вентиляцией, имеет следующие паспортные данные:

Номинальное напряжение: Uном=710 В.

Номинальный ток: Iном= 5600 A.

Номинальная частота вращения двигателя: nном= 68 об/мин.

Число пар полюсов: pn=6.

Число параллельных ветвей якоря a = 12.

Маховый момент якоря =33,13 тм2.

Коэффициент полезного действия: з=91,7%.

Перегрузочная способность:

Перегрузка по моменту в долях номинальная:

Максимальная рабочая - 1,87 об/мин;

Выключающая - 2,17 об/мин.

Цепь возбуждения:

Номинальное напряжение: U1ном=220 В;

Номинальный ток: I1ном=168 А.

Число витков на полюс: 173.

Поток одного полюса Ф =42*10-2 Вб.

Таблица 2.1

Ф *10-2 Вб	10	30	40	50
I*w, А-витки	4000	8000	10800	24000

3. Построение нагрузочных диаграмм и проверка двигателя

3.1 Расчёт кинематической подъёмной установки

Определим максимальную реальную скорость двигателя с учётом номинальной частоты вращения ротора:

Определим грузоподъёмность с учётом максимальной реальной скорости двигателя:

Определим время на каждом участке диаграммы движения:

Vmax=V3=14.23 м/с;

V1=V5= a1*t1;

V1=V5=0.25*8=2 м/с;

V2=V4= V3-V1;

V2=V4= 14,23-2= 12,23 м/с;

t2= t4= V2/ a2;

t2= t4= 12.23/0.8=15.28 c;

t1= t5= 8 с;

3.2 Динамика подъемной установки

Определим перемещения на каждом участке диаграммы движения:

Динамика подъемной установки определяет движущее усилие F(kH) из основного уравнения академика М.Н.Федорова [1]:

где Нi - пройденный путь сосудом при подъеме;

q - вес уравновешегося каната на единицу длины, равный 38 кг/м2;

p - вес подъемного каната на единицу длины, равный 34 кг/м;

mп - приведенная масса подъема к скорости вала двигателя, равная 46 т.

Построенные нагрузочные диаграммы представлены на рис. 3.1.

Рис. 3.1 - Нагрузочные диаграммы

3.3 Проверка двигателя по условию нагрева и перегрузочную способность

Определяем эквивалентные усилия:

где Тц= куд*(t1+ t2 + t4+ t5) + t3+ кп* t0,

куд - коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения при разгонах и торможении;

кп - коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения во время паузы.

В моем случае принудительное охлаждение двигателя, поэтому куд=1, а кп=0,8.

Тц= 1*(8+15,28+8+15,28) +134+ 0,8*15=192 с.

Определим эквивалентную мощность:

Условие нагрева выполняется, так как эквивалентная мощность отличается от номинальной мощности двигателя не более чем на 5%. Таким образом, двигатель подходит по условию нагрева.

Произведём проверку двигателя по перегрузочной способности в нормальном режиме.

Определим среднее движущее усилие:

Условие выполняется, следовательно двигатель подходит по перегрузочной способности в нормальном режиме.

Произведём проверку двигателя по перегрузке в период разгона.

Согласно требованиям грузовой лебёдки:

где - перегрузка при экстренном торможении или разгоне.

Условие выполняется, следовательно двигатель подходит по перегрузке в период разгона.

4. Выбор силовых элементов электропривода

4.1 Выбор генератора

Определим ориентировочную мощность генератора:

Условие выбора генератора:

Тип генератора ГП 22/43-3,8 3800 кВт [2], имеет следующие паспортные данные;

Номинальное напряжение: Uном=860 В.

Номинальный ток ротора: I2ном= 4220 A.

Номинальная частота вращения двигателя: nном= 375 об/мин.

Число пар полюсов: pn=7.

Число параллельных ветвей якоря a = 14

Маховый момент якоря =17,2 тм2.

Коэффициент полезного действия: з=94,9%.

Перегрузочная способность:

Цепь возбуждения:

Номинальное напряжение: U1ном=180 В;

Номинальный ток: I1ном=80 А.

Число витков на полюс: 142.

Поток одного полюса Ф =17,2*10-2 Вб.

Характеристики намагничивания:

Таблица 4.1

Ф *10-2 Вб	19,8	18	17,2	14,4	9
I*w, А-витки	19700	13450	11350	6990	4013

4.2 Выбор тиристорного возбудителя

Принимаем нереверсивный тиристорный преобразователь (ТП) в системе возбуждения двигателя и реверсивный ТП в системе возбуждения генератора.

Определим индуктивности обмотки возбуждения двигателя и генератора:

где - число пар полюсов;

- число витков обмотки возбуждения;

Рис.4.1 - Схема возбуждения двигателя

 - коэффициент рассеивания при компенсационном потоке.

По рис.4.2 определяем данные для вычисления Lов двигателя:

Iвн wвн=13012;

ДIв wв=2912;

ДФ= 2,2*10-2 Вб;

Определяем постоянную времени обмотки возбуждения:

где 1,15- коэффициент, учитывающий тепловое изменение активного сопротивления обмотки возбуждения.

Определяем коэффициент форсировки:

где tр=1,8с - минимально допустимое время движения с переменным ускорением.

В соответствии технического задания на двигатель и генератор максимальный коэффициент форсировки кфmax?7.

Udmax=кф*Uвном;

Udmax=4*220=880 В.

Исходя из условия:

Udmax?Ud тр.воз;

Iв ном? Id тр.воз.

Соответственно выбираем 2 включенных последовательно тиристорных возбудителей ТВ-460-200 [3], схема подключения показана на рис. 4.1.

Рис. 4.2 - Кривая намагничивания двигателя

по рисунку 4.4. определяем данные для вычисления Lов генератора:

Iвн wвн=11500;

ДIв wв=3000;

ДФ= 1,51*10-2 Вб;

Определяем постоянную времени обмотки возбуждения:

где 1,15- коэффициент, учитывающий тепловое изменение активного сопротивления обмотки возбуждения.

Определяем коэффициент форсировки:



Рис. 4.3 - Схема возбуждения генератора

где tр - минимально допустимое время движения с переменным ускорением, равное 1,8с.

В соответствии технического задания на двигатель и генератор максимальный коэффициент форсировки кфmax?7.

Udmax=кф*Uвном;

Udmax=1*180=180 В.

Исходя из условия:

Udmax?Ud тр.воз;

Iв ном? Id тр.воз.

Соответственно выбираем реверсивный тиристорный возбудитель ТВР-200-100 [3], схема подключения представлена на рис.4.3.



Рис. 4.4 - Кривая намагничивания генератора

4.3 Выбор трансформатора для генератора и двигателя

Выбираем трансформатор, рассчитывая полную мощность и вторичное напряжение трансформатора для двигателя:

где км=0,7;

кз- коэффициент запаса, равный 1,05ч1,15;

sinвmax- синус угла управления при инвертном режиме преобразования, равный 0,6;

ксх- коэффициент схемы, равный 1,35.

Исходя из полученных данных, выбираем:

ТСЗП-125/0,7-УХЛ4 [4].

Номинальная мощность: Pном=117кВ*А.

Напряжение сетевой обмотки: U=380В.

Вентильная обмотка:

Напряжение: U=410B;

Ток:I=164A.

Преобразователь:

Напряжение: U=460B;

Ток:I=220A.

uk=5.8%.

Ток холостого хода Ixx=4%.

Выбираем трансформатор, рассчитывая полную мощность и вторичное напряжение трансформатора для генератора:

где км=0,7;

кз- коэффициент запаса, равный 1,05ч1,15;

sinвmax- синус угла управления при инвертном режиме преобразования, равный 0,6;

ксх- коэффициент схемы, равный 1,35.

Исходя из полученных данных, выбираем ТСП-25/0,7-УХЛ4 [4]:

Номинальная мощность: Pном=29,1кВ*А.

Напряжение сетевой обмотки: U=380В.

Вентильная обмотка:

Напряжение: U=205B;

Ток:I=82A.

Преобразователь:

Напряжение: U=230B;

Ток:I=230A.

uk=5.5%.

Ток холостого хода Ixx=8%.

Выбор автоматического выключателя якорной цепи.

Условие выбора выключателя:

Iоткл?1,2Iя max ,

где Iоткл- номинальный отключающий ток выключателя;

1,2- коэффициент запаса по току.

Iя max=(2ч2.5)Iя ном- максимальные токи якоря для ДПТНВ.

Iя max=(2.5)*4420=11050 А (генератор);

Iя max=(2.5)*5600=14000 А (двигатель).

Принимаем быстродействующие выключатели типа ВАТ:

ВАТ-48-15000-Л-У4.

ВАТ снабжен реле защиты максимального тока типа РДШ (реле дуговое шинное). Принимаем РДШ-10000 (2 шт.).

4.4 Выбор импульсного датчика скорости (Инкодера)

Датчик скорости MD-256 [5], имеющий высокую разрешающую способность, выдает частотный сигнал пропорциональный скорости вала, обеспечивая точное измерение при малой или изменяющейся скорости вала. Импульсный датчик положения вала предотвращает появление ошибочных сигналов величины скорости вследствие вибрации или колебания вала. MD-256 легко устанавливается и может работать в двух направлениях: при движении по и против часовой стрелки.

Технические характеристики:

Питание	от +10 до +1 5В пост. тока, 30 мА - от интегратора
Температура	от -40 до 55 0С
Вход вращение вала	вращение вала от 0,5 до 470 об/мин, в двух направлениях
Выход	однонаправленный понижающий выход с открытым коллектором +5В пост. тока, макс. 25 мА (к интегратору) 256 импульсов на оборот от 2 до 2000 Гц
Сертификаты	СЕ NEMA 4X IP65

5. Построение структурной схемы электропривода

Структурная схема строится на основании функциональной схемы (рис. 5.1) в соответствии выбранного электрооборудования.

Принимаем трехконтурную систему подчиненного регулирования с регуляторами скорости, якорного тока и напряжения генератора.

Примечание: схема составлена для аналогичных элементов управления для определенных параметров регуляторов. На рис.5.2 представлена структурная схема системы Г-Д подчиненного регулирования на основании функциональной схемы.

5.1 Расчет параметров настройки контура возбуждения

Рис. 5.1 - Функциональная схема трехконтурной системы подчиненного регулирования с регуляторами скорости, якорного тока, напряжения генератора привода Г-Д



Рис. 5.2

В соответствии данной схемы производим расчет постоянной времени фильтра:

где к - коэффициент, учитывающий уменьшения уровней пульсаций, равный 5;

m - пульсность сигнала за период, равный 6;

f- частота напряжения сети, равная 50 Гц;

Определим постоянную времени тиристорного возбудителя:

где Тмв=0,01с- постоянная времени современного тиристорного преобразователя;

Параметры фильтра на входе датчика тока возбуждения:

Rф=100 Oм;

Передаточный коэффициент связи по току возбуждения:

где UДТВ - напряжение выхода датчика тока при номинальном токе возбуждения IВ.НОМ. Уровень напряжения датчика принимается равным 10 В.

Настройка производится на модульный оптимум, атв=2.

Расчет регулятора контура напряжения

В контуре напряжения применяется ПИ- регулятор.

Структурные схемы контура регулирования напряжения приведены на рис. 5.3:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5.3 - Структурные схемы контура регулирования напряжения



где ктп - коэффициент тиристорного преобразователя в цепи возбуждения генератора;

кум=1.

Постоянная времени .

Определим постоянную времени генератора Тг:

где С1- коэффициент для компенсированных электроприводов.

Настройка контура тока якоря

Принимаем ПИ - регулятор тока.

На рис. 5.4 представлена структурная схема регулирования контура тока якоря:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5.4 - Структурная схема системы регулирования тока

Определим коэффициент обратной связи по току:

Определим электромеханическую постоянную времени Тя:

5.4 Настройка контура скорости

Для поддержания постоянства скорости в установившемся режиме принимаем астатичную систему управления по скорости. Для этого контур скорости настраивается на симметричный оптимум. В качестве регулятора скорости применяется ПИ - регулятор

Структурные схемы контура регулирования скорости приведены на рис. 5.5:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5.5 - Структурные схемы контура регулирования скорости

Определим коэффициент обратной связи по скорости:

Определим механическую постоянную времени Тм:

По вычисленным данным раcсчитаем передаточные функции каждого регулятора согласно структурной схемы рис. 5.2:

Апериодическое звено:

Регулятор скорости:

Регулятор тока:



Регулятор напряжения:

Усилитель мощности:

Кум = 1;

Тиристорный преобразователь:

Генератор:

Двигатель в цепи тока возбуждения:

Двигатель в цепи контура скорости:

На рис. 5.5 представлена структурная схема трехконтурной системы управления приводом Г-Д с рассчитанными передаточными функциями.

Рис. 5.6

6. Математическое моделирование динамических процессов электропривода

На основании структурной схемы вычисленных данных построим математическую модель электропривода, используя среду Matlab с использованием пакета Simulink [6]. Преимуществом Matlab является наглядность программ (структурное или физическое моделирование) и большую библиотеку функций. Библиотека Simulink представляет собой набор визуальных объектов, используя которые можно исследовать практическую любую систему автоматического регулирования. Для всех блоков системы существует возможность настройки параметров.

Математическая модель представлена на рис.6.2.

На вход подаем сигнал (рис.6.1), в соответствие заданной диаграммы скорости:

Рис. 6.1 - Входной сигнал системы

На основании полученной структурной модели снимем осциллограммы основных параметров: выходная скорость, ток якоря (Scope 2), момент на валу двигателя и напряжение (Scope 2). Снимем параметры для режима холостого хода (при Мс = 0). Данные с осциллографа показаны на рис. 6.3. Параметры для режима работы под нагрузкой (Мс = 0,9МНД, Iс = 0,9МНД/КФн) представлены на рис. 6.4.

Для выполнении данного этапа проектирования исходные данные представлены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Наименование величины	Единица измерения	Обозначение	Значение
1	2	3	4
Система Г-Д
1. Двигатель
Номинальная мощность	кВт	Pном	3700
Номинальное напряжение	В	Uном	710
Номинальный магнитный поток	Вб	Фном	0,42
Номинальное напряжение возбуждения	В	Uв.г	220
Номинальный ток возбуждения	А	Iном.г	168
Суммарная индуктивность якорной цепи	мГн	LУ(Lя)	0,000378
Номинальный ток двигателя	A	Iном	5600
Индуктивность	Гн	Lя	0,00029
Сопротивление якорной цепи	Ом	Rя	0,0052
Электромеханическая постоянная времени	с	Тм	0,053
Коэффициент форсировки		Кф.д	4
Постоянная времени якоря	с	Тя	0,0378
2.Генератор
Номинальное напряжение	В	Uном	860
Номинальный магнитный поток	Вб	Фном	0,172
Номинальное напряжение возбуждения	В	Uв.г	180
Номинальный ток возбуждения	А	Iном.г	80
Сопротивление обмотки возбуждения	Ом	Rв.г	0,057
Индуктивность обмотки возбуждения	Гн	Lв.г	0,00095
Постоянная времени обмотки возбуждения	с	Тв.г	0,014
Коэффициент передачи		Кг	4,77
Коэффициент форсировки		Кф.г	1
3. Тиристорный возбудитель генератора
Максимальное выпрямленное напряжение	В	Ud мах	200
Коэффициент передачи		Ктп	18
4. Тиристорный возбудитель двигателя
Максимальное выпрямленное напряжение	В	Ud мах	460
Коэффициент передачи		Ктп	18
Постоянная времени	с	Tµ	0.01

Рис. 6.2 - Математическая модель управления приводом Г-Д

Рис. 6.3 - Параметры режима холостого хода: cкорость (Wd); ток якоря (Id); напряжение (Ud); момент (Мc)



Рис. 6.4 - Параметры режима работы при нагрузке: cкорость (Wd); ток якоря (Id); напряжение (Ud); момент (Мc)

7. Разработка и построение принципиальной схемы управления электропривода подъема

Принципиальная схема управления строится в соответствии принятой функциональной схемы с использованием микропроцессорной техники. В комплект современных систем электропривода входит соответствующие контроллеры и средства управления.

На листе 1 формата А1 представлена укрупненная принципиальная схема с микропроцессорными программируемыми средствами управления (МПСУ) системы Г-Д.

В МПСУ предусмотрена:

- самонастройка регуляторов;

- самодиагностика средств управления (степень диагностирования до неисправного модуля);

- возможность объективной ориентации за счет изменения аппаратных средств и программного обеспечения;

- изменение конфигурации системы регулирования с помощью встроенного пультового терминала;

- возможность интеграции изделия в автоматизированные комплексы, в том числе и с ЭВМ верхнего уровня с помощью локальных информационных сетей;

- цифровая запись аварийного следа;

- программно-аппаратные средства подавления сбоев системы;

- встроенные средства программирования ППЗУ.

Система управления включает в себя:

Блок системы датчиков;

Блок системы ввода-вывода;

Блок системы управления;

Блок системы защиты и регулирования;

Блок системы формирователей импульсов.

Силовая схема включает в себя:

Быстродействующий выключатель ВАТ-48-15000-Л-У4;

Для защиты от токов перегрузки и коротких замыканий реле РДШ-10000;

Для контроля тока в силовой цепи устанавливаются амперметр и вольтметр;

Для контроля изоляции в силовой цепи устанавливаются реле контроля изоляции и измерительный прибор для измерения токов утечки;

В системе возбуждения двигателя и генератора устанавливается визуальный контроль токов и напряжений в обмотке возбуждения;

Для организации обратной связи по току в цепи возбуждения ставятся шунты Ш-75-250 для двигателя и Ш-75-100 для генератора;

Импульсный датчик скорости MD-256 для организации обратной связи по скорости.

Заключение

В ходе работы над курсовым проектом была спроектирована и рассчитана система управления двигателем по системе генератор-двигатель. В качестве двигателя был взят двигатель постоянного тока П22-125-9К, выполненный в закрытом исполнении с принудительной вентиляцией. В качестве генератора был взят генератор постоянного тока ГП 22/43-3,8. Для цепи возбуждения двигателя был выбран нереверсивный тиристорный возбудитель ТВ-460-200, для согласования с сетью которого был взят согласующий трансформатор ТСЗП-125/0,7-УХЛ4. Для цепи возбуждения генератора был выбран реверсивный тиристорный возбудитель ТВР-200-100, а для его согласования с сетью был взят согласующий трансформатор ТСП-25/0,7-УХЛ4.

По заданным значениям была рассчитана и построена тахограмма движения. Была проведена проверка двигателя по условию нагрева и перегрузочную способность.

В ходе выполнения работы так же были выбраны соответствующие силовые элементы:

- Быстродействующий автоматический выключатель типа ВАТ48-15000-Л-У4 с токоограничителем, снабжённым реле защиты максимального тока РДШ-10000 (реле дуговое шинное) для якорной цепи двигателя;

- Импульсный датчик скорости MD-256.

Далее были построены функциональная и структурная схемы, с помощью которых были рассчитаны параметры для построения математической модели в среде MatLab. Исследование полученной виртуальной модели позволило изучить динамические и статические характеристики системы управления электропривода постоянного тока по системе Г-Д под нагрузкой и при холостом ходе.

В итоге была построена принципиальная схема на листе 1 формата А1, которая включает в себя силовую часть и систему управления.

Список использованной литературы

1. Характеристики двигателей в электроприводе / С.Н. Вешеневский, - М.: Энергия, 1977.

2. Электрооборудование шахтных подъемных машин / Ю.Т. Калашников, - М.: Недра, 1986.

3. Автоматизированный электропривод переменного тока шахт и подъемных установок / М.А. Авербух, - Норильский индустриальный институт, 2006.

4. Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования Учеб. пособие для вузов / Б.Н. Неклепаев, - М.: Энергоатомиздат, 1989.

5. Интернет-ресурс: http://www.automation-drives.ru.

6. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в Матлаб 6.0: Учебное пособие. - СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с.

Размещено на Allbest.ru