• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ВЫБОР СХЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
• 1.1 Исходные данные для проектирования
• 1.2 Выбор схемы электропривода
• 1.3 Расчет нагрузочных диаграмм и выбор двигателя
• 1.4 Выбор схемы и расчет элементов силового преобразователя
• 1.4.1 Выбор трансформатора
• 1.4.2 Выбор тиристоров
• 1.4.3 Выбор индуктивности дросселей
• 1.4.4 Определение расчетных параметров силовой цепи ТП-Д
• 2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
• 2.1 Расчет и построение статических характеристик в разомкнутой системе
• 2.2 Выбор структуры замкнутой системы электропривода, расчет ее параметров
• 2.2.1 Расчет контура тока
• 2.2.2 Расчет контура скорости
• 2.3 Расчет и построение статических характеристик в замкнутой системе
• 2.4 Разработка схемы управления электроприводом
• 3. АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ
• 3.1 Математическое описание электропривода
• 3.2 Расчет и построение переходных процессов
• 4. РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
• 4.1 Построение уточненной нагрузочной диаграммы двигателя за цикл
• 4.2 Проверка двигателя по нагреву и перегрузке по уточненной нагрузочной диаграмме
• 4.3 Расчет интегральных энергетических показателей электропривода за цикл работы
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
• ПРИЛОЖЕНИЯ
• ВВЕДЕНИЕ

Рассматривая все многообразие современных производственных процессов, в каждом конкретном производстве можно выделить ряд операций, характер которых является общим для различных отраслей народного хозяйства. К их числу относятся доставка сырья и полуфабрикатов к истокам технологических процессов и межоперационные перемещения изделий в процессе обработки, погрузочно-разгрузочные работы на складах, железнодорожных станциях и т. д.

Механизмы, выполняющие подобные операции, как правило, универсальны и имеют общепромышленное применение, в связи, с чем и называются общепромышленными механизмами. Общепромышленные механизмы играют в народном хозяйстве страны важную роль.

На промышленных предприятиях наиболее распространенным и универсальным подъемно-транспортным устройством является кран, основным механизмом которого является механизм подъема, который снабжается индивидуальным электроприводом.

Основные механизмы таких установок, как правило, имеют реверсивный электропривод, рассчитанный для работы в повторно-кратковременном режиме. В каждом рабочем цикле имеют место неустановившиеся режимы работы электропривода: пуски, реверсы, торможения, оказывающие существенное влияние на производительность механизма, на КПД установки и на ряд других факторов. Все эти условия предъявляют к электроприводу сложные требования в отношении надежности и безопасности. От технического совершенства электроприводов в значительной степени зависят производительность, надежность работы, простота обслуживания. Кран позволяет избавить рабочих от физически тяжелой работы, уменьшить дефицит рабочих в производствах, отличающихся тяжелыми условиями труда.

В данной работе электропривод рассматривается как общепромышленная установка, в качестве которой выступает подъемный механизм крана. Целью работы является закрепление, углубление и обобщение знаний в области теории электропривода путем решения комплексной задачи проектирования электропривода конкретного производственного механизма (механизма подъема крана). В выпускной работе охватываются такие вопросы, как выбор схемы электропривода, разработка системы управления электроприводом, анализ динамических свойств замкнутой и разомкнутой системы, расчет энергетических показателей электропривода. Основное внимание уделяется задаче регулирования координат (тока и скорости).

1. ВЫБОР СХЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Рис. 1. Кинематическая схема механизма.

Статические моменты при подъеме и спуске:

Нм

Нм,

где g - ускорение свободного падения,

m_гр, m_зп - масса груза и захватного приспособления,

R_б - радиус барабана лебедки,

i_р - передаточное число редуктора,

i_п - передаточное число полиспаста,

- КПД передачи.

Время цикла:

t_ц=t_под+t_сп+2t_п=t_р+t_п,

где t_под - время подъема,

t_сп - время спуска,

t_п - время паузы,

t_р - время работы.

t_под=t_сп=h/v=12/(25/60)=12/0,417=28,777 с,

где h - высота подъема,

v - скорость подъема.

Продолжительность включения:

ПВ= t_р/t_ц

Значит, t_ц= t_р/ПВ=57,554/0,15=383,693 с

t_п=0,5(t_ц- t_р)=0,5(83,693-57,554)=163,07 с

Рис. 2. Нагрузочная диаграмма производственного механизма.

Полагая, что двигатель выбирается из режима S1, эквивалентный момент за цикл работы:

Нм

Угловая скорость двигателя, соответствующая V=12 м/мин:

1/с

Номинальная мощность двигателя:

кВт,

где k_з=1,3 - коэффициент, учитывающий отличие нагрузочной диаграммы механизма от нагрузочной диаграммы двигателя.

Условия выбора двигателя:

Р_нР_экв и _нрасч выбираем, пользуясь [1] двигатель постоянного тока независимого возбуждения 2ПФ160МУХЛ4

Р=7,5 кВт; U=220 В; n=1500 об/мин; n_max=4200 об/мин; КПД=83%; R_я=0.145 Ом; R_доп=0,101 Ом; R_в=53,1 Ом; L_я=4 мГн; J_дв=0,083 кг*м²; класс изоляции - В.

Построив нагрузочную диаграмму двигателя, проверим его по условиям нагрева и допустимой перегрузки.

Суммарный момент инерции:

J=1,2J_дв+J_мех=1,2*0,083+0,025=0,1246 кг*м²,

где J_мех - момент инерции механизма.

кг*м²

Динамический момент:

 Нм,

где М_ном - номинальный момент двигателя.

Нм

Угловое ускорение:

1/с²

Время работы привода с ускорением:

с

Высота, на которую поднят груз за время ускорения:

м

Расстояние, которое проходит груз без ускорения:

м

Время работы привода без ускорения:

с

Время цикла с учетом ускорения:

с

Рис. 3. Нагрузочная диаграмма двигателя.

По нагрузочной диаграмме находим новое значение эквивалентного момента:

Нм

М_экв=35,53М_н;

М_max2.5*М_н=2,5*47,748=119,37

Выбранный двигатель удовлетворяет условиям нагрева и допустимой нагрузки.

1.4 Выбор схемы и расчет элементов силового преобразователя

Для данного случая выбираем трехфазную мостовую схему. Схема приведена на рис.4:

Рис. 4. Мостовая реверсивная схема.

1.4.1 Выбор трансформатора

Выбор силового трансформатора производится по расчетным значениям токов I₁ и I₂, напряжению U₂ и типовой мощности S_тр.

Расчетное значение напряжения U_2ф вторичной обмотки трансформатора, имеющего m-фазный ТП с нагрузкой на якорь двигателя в зоне непрерывных токов, с учетом необходимого запаса на падение напряжения в силовой части, определяется формулой:

В,

где k_u=0,461 - коэффициент, характеризующий отношение напряжений U_2ф/U_d0 в реальном выпрямителе;

k_c=1,1 - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжения сети;

k=1,1 - коэффициент запаса, учитывающий неполное открытие вентилей при максимальном управляющем сигнале;

k_R=1,05 - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий падение напряжения в обмотках трансформатора, в вентилях и за счет перекрытия анодов;

U_d=220 В - номинальное напряжение двигателя.

Расчетное значение тока вторичной обмотки:

А,

где k_I=0,815 - коэффициент схемы, характеризующий отношение токов I_2ф/I_d в идеальной схеме;

k_i=1,1 - коэффициент, учитывающий отклонение формы анодного тока вентилей от прямоугольной;

I_d - значение номинального тока двигателя.

А

Расчетная типовая мощность силового трансформатора:

кВА,

где k_s=1,065 - коэффициент схемы, характеризующий отношение мощностей S_тр/U_dI_d для идеального выпрямителя с нагрузкой на противо-ЭДС.

Выбираем силовой трансформатор, удовлетворяющий условиям:

S_н11,644 кВА; U_2фн128,854 В; I_2фн36,822 А.

Выбираем трансформатор ТС-16.

Его характеристики:

S_н=16 кВА; U_1нл=3805% В; U_2нл=230-133 В; Р₀=213 Вт; Р_к=529 В; U_к=4,6% Y/Y₀-

Коэффициент трансформации:

Расчетное значение тока первичной обмотки:

А.

1.4.2 Выбор тиристоров

Среднее значение тока тиристора:

А,

где k_зi=2,5 - коэффициент запаса по току;

k_ох - коэффициент, учитывающий интенсивность охлаждения силового вентиля. При естественном охлаждении k_ох=0,35;

m_тр=3 - число фаз трансформатора.

Максимальная величина обратного напряжения:

В,

где k_зн=1,8 - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможные повышения напряжения питающей сети (включая режим холостого хода) и периодические выбросы U_обр, обусловленные процессом коммутации вентилей;

k_Uобр=1,065 - коэффициент обратного напряжения, равный соотношению напряжений U_Bmax/U_d0 для мостовой реверсивной схемы выпрямления;

U_d0 - напряжение преобразователя при =0:

В

Из справочника [3] выбираем тиристор серии Т151-100.

1.4.3 Выбор индуктивности дросселей

Под действием неуравновешенного напряжения, минуя цепь нагрузки, может протекать уравнительный ток, который создает потери в вентилях и обмотках трансформатора и может приводить к аварийному отключению установки.

Требуемая величина индуктивности уравнительных дросселей, исходя из ограничения амплитуды переменной составляющей уравнительного тока до величины, не превышающей 10%:

,

где U¹_п - удвоенное эффективное значение первой гармоники выпрямленного напряжения:

 В,

где U_п/U_d0=0.26 - определено по рисунку из [2] для m=6 и =90⁰;

m=6 - число фаз выпрямления.

Гн.

Уравнительные дроссели выберем частично насыщающимися, т.е.

L_уд=0,7L_{уд.расч}=0,029 Гн.

Выбираем дроссель серии ФРОС-150. L_уд=0,03 Гн.

Рассчитаем индуктивность сглаживающего дросселя:

Гн,

где U_п=U¹_п/2=72,673 Гн - действующее значение первой гармоники выпрямленного напряжения.

Необходимая величина индуктивности сглаживающего дросселя:

L_сд=L_необх-(L_дв+2L_тр+L_уд),

где L_дв - индуктивность якоря и дополнительных полюсов двигателя:

Гн

2L_тр - индуктивность двух фаз трансформатора, приведенная к контуру двигателя.

Гн.

L_сд=0,027-(0,010+0,00106+0,03)=-0,014 Гн

Т.к. L_сд0, то сглаживающий дроссель не требуется.

1.4.4 Определение расчетных параметров силовой цепи ТП-Д

Расчетное сопротивление цепи выпрямленного тока:

,

где k=1+(t_н-t)=1+0.004(100-15)=1.34;

=0,004 - температурный коэффициент сопротивления меди;

t_н=100⁰ - рабочая температура двигателя для класса изоляции В;

t=15⁰ - температура окружающей среды;

R_щ - сопротивление щеточного контакта:

Ом;

R_п - сопротивление преобразователя:

,

где R_т - активное сопротивление обмоток трансформатора:

Ом;

х_т - индуктивное сопротивление обмоток трансформатора:

 Ом

R_уд - активное сопротивление уравнительных дросселей:

Ом.

Итак,

Ом

Ом.

В главе 1 на основе технических данных и требований электропривода подъемного механизма крана был произведен выбор схемы ЭП. В результате анализа и обзора применяемых систем регулирования показана целесообразность применения системы тиристорный преобразователь - двигатель.

Построение нагрузочных диаграмм производственного механизма и двигателя позволило предварительно выбрать двигатель, а затем проверить его по условиям нагрева и по перегрузке. Выбранный двигатель серии 2П удовлетворяет этим условиям.

Расчет силового преобразователя включил в себя выбор его элементов, а также определение расчетных параметров силовой цепи ТП-Д.

2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

2.1 Расчет и построение статических характеристик в разомкнутой системе

Статические характеристики в разомкнутой системе могут быть построены по следующим выражениям:

где R_я.дв - сопротивление якорной цепи двигателя с учетом нагрева:

Ом

Ток возбуждения двигателя:

А

Номинальный ток якоря:

А

Статические скорость и момент:

_с=144,67 1/с;

М_с.под=106,918 Нм;

М_с.сп=68,428 Нм.

Из уравнений для статических характеристик:

В/с

ЭДС преобразователя при _с и М_с.под:

В.

ЭДС преобразователя при _с и М_с.сп:

В.

Уравнение статической механической характеристики при Е_{п.необх.под}:

;

.

Уравнение статической механической характеристики при Е_{п.необх.сп}:

;

.

Максимальная ЭДС преобразователя при =0:

В.

Уравнение статической характеристики при Е_п.max:

;

.

Статическая характеристика при Е_п=0:

;

.

Естественная статическая характеристика:

;

.

Рис.5. Статические и динамические характеристики в разомкнутой системе.

Рассчитаем нагрузочную диаграмму двигателя за цикл при линейном изменении ЭДС преобразователя.

Жесткость статической механической характеристики:

В²с²/Ом

Электромеханическая постоянная времени:

с

Расчетная суммарная индуктивность цепи якоря:

Гн

Электромагнитная постоянная времени:

с

Соотношение постоянных времени:

Для построения нагрузочной диаграммы двигателя за цикл при линейном изменении ЭДС, используем ЭВМ и программу 20-sim. Для моделирования введем в компьютер схему, представленную на рис. 6. Параметры для моделирования представлены в приложении 1.

Нагрузочная диаграмма процесса представлена на рис. 7

Рис. 6. Схема для расчета нагрузочной диаграммы двигателя при линейном изменении ЭДС.

Рис. 7. Нагрузочная диаграмма двигателя при линейном изменении ЭДС: а) при подъеме; б) при спуске.

2.2 Выбор структуры замкнутой системы электропривода, расчет ее параметров

В соответствии с рекомендациями выберем систему ТП-Д с подчиненным регулированием координат с настройкой на технический оптимум.

Рис. 8. Принципиальная схема подчиненного регулирования тока и скорости в системе ТП-Д.

2.2.1 Расчет контура тока