Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Содержание

• Введение
• 1. Общая часть
• 1.1 Паспортные данные оборудования
• 1.2 Схема скиповой подъемной машины
• 1.3 Тахограмма движения сосудов
• 1.4 Функциональная схема системы управления подъемной установки
• 1.5 Расчет параметров системы привода
• 2. Специальная часть
• 2.1 Система управления с реверсированием поля двигателя
• 2.2 Структурная система привода и расчет аналоговых регуляторов
• 2.3 Расчет дискретных регуляторов системы управления
• 2.3.1 Дискретная модель ПИД-регулятора
• 2.3.2 Определение частоты выборки в системах управления
• 2.3.3 Предотвращение интегрального насыщения
• 2.3.4 Алгоритм ПИД-регулятора
• 2.4 Расчет потребляемой мощности системой привода
• 2.5 Анализ характеристик системы привода
• 2.6 Сравнение систем по энергетическим характеристикам
• 3. Охрана труда
• 3.1 Электробезопасность
• 3.2 Режимы нейтрали трансформатора
• 3.3 Системы заземления
• 3.3.1 Защитное заземление
• 3.3.2 Защитное зануление
• 3.3.3 Защитное отключение
• 3.3.4Расчет защитного заземления
• 3.4 Меры безопасности при выполнении работ на электроустановках
• 3.5 Расчет освещения

Введение

Промышленные предприятия по добыче и переработке железной руды занимают одно из главных мест в экономической структуре Кривбасса. Одним из таких предприятий является ОАО "Сухая Балка". Это предприятие имеет в своем составе шахты "Юбилейная", "Центральная", "им. Фрунзе". Шахта "Юбилейная" спроектированная НИИ "Кривбасспроект" и построена в 1976 г.

На сегодняшний день глубина шахты составляет 1200 м. Разрабатываемые горизонты 940 м, 1020 м.

Диаметр ствола шахты 10 м.

Высота копра 105 м.

Шахта "Юбилейная" оснащена скиповой и клетевой подъемными установками. В стволе шахты перемещаются два скипа, клеть и противовес.

Площадка разгрузки клети находится на уровне 0 м.

Разгрузочное устройство скипов находится на уровне +18 м.

Разгрузка скипов осуществляется в приемный бункер емкостью 500 т. Далее пластинчатый питатель и система конвейеров транспортируют руду в дробильную фабрику, где происходит ее дробление и сортировка на фракции по размеру.

Машинный зал клетевой подъемной машины находится на уровне +25 м.

На уровне +65 м находятся зал управления, тиристорные преобразователи и система управления.

Машинный зал скиповой подъемной машины находится на уровне +88 м.

Электроснабжение подъемных машин осуществляется напряжением 6 кВ от подстанции, расположенной на уровне 0 м.

Постановка задачи на проектирование.

При эксплуатации скиповой подъемной установки параметрами, влияющими на качество ее работы, являются скорость и ускорение перемещения сосудов, точность позиционирования при работе на скорости дотягивания. Современная тенденция к экономии энергоресурсов требует кроме всего прочего уделять особое внимание вопросам энергосбережения. Это особо актуально для подъемных машин, т.к. они имеют большую установленную мощность.

На основании этого можно сформулировать задачи дипломной работы: разработать систему управления электроприводом скиповой подъемной установки, которая обеспечивает автоматизацию управления скипом и при этом снижает потребление активной и реактивной мощности.

1 Общая часть

1.1 Паспортные данные оборудования

Таблица 1.1. Общая характеристика подъемной установки

Вид и наименование	скиповой подъем
Назначение	грузовой
Режим работы	автоматический и ручной
Высота подъема	1218 м
Обслуживаемые горизонты	+18;0;-860;-940;-1020;-1100;-1180 м
Высота переподъема	18 м
Тип машины	ЦШ 5Х8
Проектная максимальная скорость	14 м/с

Таблица 1.2. Силовые трансформаторы

Тип:	ТНЗП-6300 6.0/0.68
Мощность:	6300 кВА
Напряжение первичное:	6 кВ
Ток первичный:	520 А
Напряжение вторичное:	680 В
Ток вторичный:	4500 А
Напряжение короткого замыкания:	5.6 %
Активная мощность потерь	320 кВт

Таблица 1.3. Тиристорные преобразователи

Тип:	ТП-31600/680Т
Переменное напряжение:	680 В
Переменный ток:	4500 А
Постоянное напряжение:	930 В
Постоянный ток:	5500 А

Таблица 1.4. Двигатели

Тип двигателя	П2-800-255-8КУ4
Номинальная мощность Pн	5000 кВт
Номинальное напряжение якоря Uн	930 В
Номинальный ток якоря Iн	5500 А
Номинальное напряжение ОВ Uвн	119 В
Номинальный ток ОВ Iвн	435 А
КПД ?н	92%
Номинальная частота вращения nн	63 об/мин
Момент инерции якоря Jм	68700 кг•м2
Сопротивление обмотки якоря RЯ	0.00264 Ом
Сопротивление ДП RДП	0.00078 Ом
Сопротивление КО RКО	0.00155 Ом
Сопротивление ОВ RОВ	0.274 Ом
Число пар полюсов 2p	18

Таблица 1.5. Возбудитель подъемного двигателя

Тип:	ТЕР200/460Р
Номинальное напряжение сети:	380 В
Номинальное выходное напряжение:	220 В
Номинальный выходной ток:	200 А

Таблица 1.6. Подъемные сосуды

Масса подъемного сосуда	47500 кг
Масса полезного груза	50000 кг

Таблица 1.7. Параметры канатов

	несущий канаты	уравновешивающий канаты
Тип каната	ТУ14-4-788-77	ЛКТКУО-5
Диаметр каната, мм	42	400х20
Кол-во канатов	8	4
Масса одного метра каната, кг	7.488	15.2
Разрывное усилие всех проволок в канате, кН	1327.9	1441

Диаметр канатоведущего шкива:5000 мм

1.2 Схема скиповой подъемной машины

Скиповой подъем построен по безредукторной схеме. Электродвигатель непосредственно соединен с канатоведущим шкивом. Кинематическая схема, которого изображена на рис.1.1, где канатоведущий шкив приводится во вращение электродвигателем (на рисунке не показан), а шкив благодаря силам трения (между канатом и шкивом) приводит в движение главный тяговый канат. К концам последнего подвешены два сосуда. Сосуд, который движется вниз - порожний и выполняет функцию противовеса. Безредукторный привод по сравнению с редукторным более надежный, малошумный и применяется главным образом в скоростных и высокоскоростных подъемниках с тихоходными двигателями (например, с частотой вращения до 60 об/мин). Поскольку для создания необходимого запаса кинетической энергии якоря двигателя и связанных с ним других масс тихоходный двигатель требует меньшее количество электрической энергии, чем быстроходный, использование электроприводов с тихоходными двигателями более предпочтительно.

Рис. 1.1. Кинематическая схема скиповой подъемной установки: 1 - канатоведущий шкив; 2 - отклоняющий шкив; 3 - несущий канат; 4 - площадка разгрузки скипов; 5 - уровень земли (нулевая отметка); 6 - порожний сосуд; 7 - уравновешивающий канат; 8 - стенки ствола; 9 - груженый скип.

Режим работы приводного электродвигателя скипового подъемника является повторно-кратковременным, где за время цикла (Т) следует принимать длительность кругового рейса скипа (путь, который проходит скип от основного загрузочного уровня до возвращения его на этот же уровень), а за продолжительность работы - время нахождения электродвигателя под нагрузкой. Тогда при известных величинах: максимальной высоте подъема (Н, м), номинальной скорости (V_ном., м/с) и грузоподъемности скипа (M, кг), а также с учетом вероятностных факторов длительность кругового рейса можно определить, используя уравнение:

,

где H=H₂+H₃ - высота подъема;

t_загр., t_разгр. - время загрузки и разгрузки скипа, соответственно;

,

a - допустимое ускорение.

Принимаем время загрузки скипа

t_загр. = 70 с;

время разгрузки скипа

t_разгр. = 36 с;

допустимое ускорение

a = 3 м/с².

Тогда

время цикла

Первое слагаемое является временем установившегося движения кабины, а второе - временем переходных режимов и временем, в течение которого двигатель не работает. Поэтому, если рассчитать составляющие этих слагаемых, то можно определить и относительную продолжительность включения (ПВ, %), т.е. режим работы электродвигателя.

С учетом того, что во время загрузки и разгрузки скипа, ток по обмоткам электродвигателя не протекает, находят относительную продолжительность его включения по формуле

.

Расчет необходимой мощности производится исходя из диаграммы нагрузки электропривода, которая с учетом механического к.п.д. определяется диаграммой неуравновешенности подвижных частей подъемника. Поэтому по параметрам подвижных частей вначале необходимо рассчитать и построить диаграмму неуравновешенности по всей высоте подъема кабины. Так для безредукторного подъемника, кинематическая схема которого показана на рис. 1.1, расчет диаграммы неуравновешенности можно произвести по формуле: шахта подъемный скиповой канатоведущий

,(1)

где m_гр - масса груза;

m_ск - масса порожнего скипа;

m_пр=m_ск - масса противовеса (в данном случае это масса порожнего скипа, который опускается);

q_нк, q_ук - погонная масса несущего и уравновешивающего канатов, соответственно;

L_нк, L_ук - длина несущего и уравновешивающего канатов, соответственно.

Поскольку неуравновешенность подвижной системы не зависит от направления движения кабины, а изменяется по высоте практически по линейному закону, неуравновешенность можно определить при нагруженном номинальным грузом и ненагруженном скипе для нижней и верхней отметок его остановки, а затем с учетом к.п.д. механической передачи построить диаграмму неуравновешенности (рис. 1.2).

Выполним расчет диаграммы неуравновешенности по формуле (1).

Груз в верхней точке

F₁=1933 кн;

Груз в нижней точке

F₂= -952 кн;

Порожний скип в верхней точке

F₃=1442 кн;

Порожний скип в нижней точке

F₄= -1442 кН.

Рис. 1.2. Диаграмма неуравновешенности подвижных частей подъемника.

Полученная диаграмма имеет четыре участка (l₁, l₂, l₃, l₄):

l₁=816.12 м;

l₂=401.88 м;

l₃=609 м;

l₄=609 м.

Среднюю неуравновешенность из средних величин по участкам (F_ср1, F_ср2, F_ср3, F_ср4) использовать нельзя, так как они действуют в течение разных промежутков времени. Следовательно, для того чтобы более правильно учесть влияние, каждой средней величины, предварительный выбор двигателя следует производить исходя из средневзвешенной неуравновешенности, т.е.

.

Тогда необходимую статическую мощность двигателя можно определить по формуле

,

где k - коэффициент, учитывающий пусковые режимы двигателя (k = 1,05...1,2);

з - коэффициент полезного действия (0.98).

Статический момент определяется на основании выражения

.

Скорость вращения канатоведущего барабана

.

Полученную мощность следует привести к относительной продолжительности включения электродвигателя, т.е.

где ПВ_ст - относительная продолжительность включения двигателя;

б - отношение постоянных потерь к переменным у предполагаемого двигателя.

1.3 Тахограмма движения сосудов

Диаграмма скорости движения сосудов строится на основании норм на скиповые подъемные установки. Нормируется номинальная скорость движения, которая оценочно вычисляется по выражению . В данной подъемной установке принята номинальная скорость движения сосудов 14 м/с.

При движении сосуда в разгрузочных кривых скорость движения должна составлять 3 м/с.

Ускорение при движении сосуда ограничивается 1.5-4 м/с².

С учетом сделанных выше замечаний, диаграмма скорости движения сосуда представлена на рис.1.3.

В существующей системе подъема максимальное ускорение принято 3 м/с².

Рис. 1.3. Тахограмма движения привода: t₁ - разгон; t₂ - равномерное движение; t₃ - замедление; t₄ - движение в разгрузочных кривых; t₅ - замедление.

Основные требования, предъявляемые к электроприводам. Основные требования, которым должен удовлетворять привод подъема, следующие:

а) обеспечение минимального времени переходных процессов при ограниченных ускорениях (порядка 1...5 м/с²) и ограниченных производных ускорений - рывке, который в зависимости от номинальной скорости кабины ограничивается (ограничение ускорений и их производных определяется необходимостью снижения динамических усилий на несущие канаты и сосуды);

б) скорости и ускорения не должны зависеть от загрузки сосуда;

в) должна быть обеспечена определенная точность установки сосудов на заданной отметке.

Механические характеристики приводных электродвигателей должны быть жесткими; поэтому для электропривода подъема используют двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением, а для получения заданной точности остановки кабины производят специальные расчеты, на основании которых вносят необходимые коррективы в схемы управления.

В соответствии с технологическими требованиями и нормами допустимые отклонения от заданной отметки (точность остановки) для подъемников находятся в следующих пределах для скиповых шахтных подъемников - ± 250...330 мм. Пользуясь этими данными и кинематической схемой подъемника с реальными параметрами ее элементов, можно установить минимально необходимую скорость кабины перед ее остановкой и отклонение от этой скорости.

1.4 Функциональная схема системы управления подъемной установки

Для скиповой подъемной установки шахты “Юбилейная” принята система двухдвигательного привода с раздельным питанием на основе унифицированного однодвигательного привода. Схема однодвигательного привода построена с применением нереверсивных тиристорных преобразователей якорной цепи. Реверсирование приводного двигателя осуществляется реверсом его поля (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Структурная схема двухдвигательного привода скиповой подъемной установкой.

Такая схема привода позволяет обеспечить работу подъемной установки во время ремонтов и осмотров ствола, подъемных сосудов, замены канатов и т.п. при выводе части основного электрооборудования для осмотра и ремонта. Она позволяет совмещать графики осмотров механического и электрического оборудования подъемной установки, что дает возможность планировать ремонт электрооборудования без увязки ремонтных операций комплекса подъема, где необходима работа подъемной машины.

Так как при существующей на шахтах организации работ поток руды обладает некоторой неравномерностью, то в некоторые периоды суток в смены работа подъемной установки идет с пониженной производительностью. Схема раздельного питания позволяет легко выводить часть оборудования привода для осмотра и ремонта, не ожидая планового ремонтного дня и не останавливая полностью работы подъемной машины.

Такая система привода обеспечивает работу подъемной установки без снижения фактической производительности и при авариях основного оборудования в системе привода, когда требуется более длительное время для производства восстановительных ремонтных работ. Такая система привода обладает повышенной надежностью и может значительно уменьшить потерю производительности. При этом следует особо отметить тот факт, что, несмотря на уменьшение надежности всего привода из-за увеличения числа элементов, вероятность потери 100% производительности значительно уменьшается, а это как раз очень важно. Указанные возможности привода реализуются конструкцией схемы главной цепи, позволяющей производить её переключение.

Схема главной цепи скиповой машины предусматривает переключение в главной цепи с целью создания режима работы двумя последовательно соединенными двигателями от одного любого преобразовательного агрегата. При этом грузоподъемность скипа остается номинальной при половинной скорости его движения. При работе одним двигателем загрузка скипа уменьшается вдвое при полной скорости его движения. Функциональные схемы САР для проектируемых схемных режимов работы привода скиповой подъемной машины приведены на рис. 1.5.

САР привода подъемной установки представляет собой системы автоматического регулирования скорости, построенные на основе последовательной коррекции с общим регулятором скорости рис. 1.5.

Канал возбуждения приводного двигателя с реверсивным возбудителем построен с одним контуром регулирования - токовым. Все регуляторы выполнены пропорционально-интегральными, что обеспечивает астатизм второго порядка для канала преобразователя двигателя при нулевых ошибках по заданию и нагрузке, и астатизм первого порядка для канала возбуждения двигателя, обеспечивая стабильность тока возбуждения.

В отличие от САР привода с реверсом главной цепи выходное напряжение регулятора скорости является задающим для подчиненных ему регуляторов главного тока и тока возбуждения двигателя.

В этом случае при изменении знака выхода регулятора скорости происходит изменение знака задания системы регулирования возбуждения подъемного двигателя и реверс тока возбуждения. В связи с тем, что ток главной цепи в этой системе не изменяет знака, а знак выхода регулятора скорости изменяется, то на входе регулятора тока установлен блок вычисления модуля сигнала. Такая схема позволяет получить вход на регулятор тока главного канала одного знака, а на вход регулятора тока возбуждения двигателя - знакопеременного.

Знак напряжения регулятора скорости может изменится:

под действием управляющего сигнала задатчика интенсивности (изменение направления движения подъемной машины);

при уменьшении величины управляющего сигнала задатчика интенсивности - торможение подъемной машины, перевод в инверторный режим преобразователя;

при изменении знака статического момента - переход в инверторный режим преобразователя.

1.5 Расчет параметров системы привода

Для расчета характеристик регуляторов необходимо определить постоянные времени неизменяемой части системы.

Полное сопротивление якорной цепи

Приведенное активное сопротивление фазы трансформатора:

Реактивное сопротивление фазы трансформатора:

Определим суммарное сопротивление якорной цепи ТП-Д:

Где R_я - активное сопротивление якорной цепи двигателя;

R'₂ - активное сопротивление фазы трансформатора;

x_тр - индуктивное сопротивление трансформатора;

m - число пульсаций выпрямленного напряжения за период частоты сети. Для трехфазной мостовой схемы m=6.

Индуктивность якорной обмотки определяется в соответствии с формулой Уманского-Линвилля:

Определим суммарную индуктивность якорной цепи ТП-Д:

Электромагнитная постоянная времени:

Коэффициент потока машины:

гдеU_н - номинальное напряжение питания якорной обмотки;

I_н - номинальный ток;

_н - номинальная частота вращения.

Механическая постоянная времени:

Период дискретности определяется особенностями работы тиристорного преобразователя и равен T_д=3.333 мс.

2. Специальная часть

2.1 Система управления с реверсированием поля двигателя

Преимущество системы электропривода с реверсированием поля заключается в меньшем объеме силового электрооборудования по сравнению с встречно-параллельной, в отсутствии переключающих устройств в силовой цепи.

На рис. 2.1 приведена функциональная схема электропривода с реверсированием поля.

Рис. 2.1. Функциональная схема привода с реверсом поля.

Изменение знака момента на валу двигателя осуществляется реверсированием тока в обмотке возбуждения, получающей питание, от отдельного реверсивного тиристорного преобразователя. Измерение тока и скорости осуществляется с помощью соответствующих датчиков ДТВ, ДТЯ, ДС.

Возможны два варианта задания скорости: в функции пути и в функции времени.

При управлении приводом в функции пути сигнал задания скорости с выхода командоаппарата КА поступает на вход ЗИ, который в данном случае ограничивает величину ускорения.

В схеме электропривода с реверсированием поля изменение направления вращения и знака момента достигается тем, что ток якорной цепи и ток возбуждения вначале уменьшаются до нуля, а затем им придаются значения, соответствующие нужному режиму работы.

В то время как ток якоря I_я из-за односторонней проводимости однокомплектной схемы сохраняет свое направление и может быть представлен V-образной кривой (рис. 2.2), ток возбуждения может реверсироваться.

Чтобы не допустить протекания номинального тока в якоре при ослабленном поле, реверсирование осуществляется в момент, когда ток якоря снизится до половины. Поэтому вращающий момент, пропорциональный произведению якорного тока и тока возбуждения, уменьшается вначале линейно, а затем (с момента начала убывания тока возбуждения) приближается по параболе к нулевому значению.

Рис. 2.2. График изменения момента, тока якоря и тока возбуждения при реверсировании поля двигателя.

Таким образом, характеристика момента двигателя имеет благоприятный для шахтного подъема переход через нуль. Нарастание момента в противоположном направлении происходит симметрично.

Система регулирования воздействует одновременно на четыре координаты: скорость, производную тока, ток якоря и ток возбуждения. В основу CAP положен метод последовательной коррекции, характеризующийся тем, что основной цепи регулирования скорости подчинены еще контуры регулирования производной тока якорной цепи, а также тока якоря и тока возбуждения. При этом выходное напряжение регулятора скорости является задающей величиной для контура регулирования токов якоря и возбуждения.

Заданное и фактическое значения скорости сравниваются, а полученный при этом сигнал рассогласования подается на вход регулятора скорости PC (см. рис. 2.1). Выходная величина PC является задающим сигналом для систем регулирования тока якоря РТЯ и тока возбуждения РТВ. При сравнении заданных токов якоря и возбуждения с их фактическими значениями появляются новые сигналы рассогласования (ДI_т.я., ДI_т.я.). Сигнал ДI_т.я. поступает на вход регулятора производной якорного тока, выходная величина которого является заданием тока якоря.

Рассматриваемая CAP задает предельные значения регулируемых величин. Это осуществляется ограничением выходного напряжения регулятора скорости, что позволяет избежать превышения тока установленного значения.

Синтез параметров системы производится последовательной оптимизацией контуров [61]. При этом каждый контур регулирования может быть представлен структурной схемой, состоящей из двух звеньев: регулятора W_рег2 (рис. 2.3) и обобщенного объекта регулирования W'₀₂. Под последним понимается участок, схемы, включающий в себя собственно объект W₀₂, т.е. звено, выходная координата которого сравнивается с заданием на входе рассматриваемого контура, и замкнутый контур регулирования W_з1, предыдущий по ходу передачи сигнала.

В общем случае передаточная функция объекта оптимизируемого контура

где W_0к - часть W₀, которая компенсируется действием регулятора;

- произведение некомпенсируемых передаточных функций.

Передаточные функции соответственно разомкнутого и замкнутого оптимизированных контуров регулирования:

где W_рег - передаточная функция регулятора.

Постоянная времени регулятора , исходя из допустимого уровня «шумов» на выходе контура ( - сумма постоянных времени звеньев некомпенсируемой части).

Рис. 2.3.

Передаточная функция регулятора находится из выражения

Внутренним контуром системы, с которого начинают оптимизацию, является контур регулирования тока якоря (рис. 4.19, а), характеризуемый следующими звеньями и параметрами:

W_рт - передаточная функция регулятора тока; T_м, T_э - соответственно электромеханическая и электромагнитная постоянные времени привода; k_п.в - коэффициент усиления тиристорного преобразователя; k_т - коэффициент передачи звена обратной связи по току; T_м - постоянная времени, определяемая чистым запаздыванием фазового управления.

Пренебрегая внутренней обратной связью по э.д.с. электродвигателя, можно записать:

где R_э - эквивалентное сопротивление якорной цепи.

Следовательно, передаточная функция замкнутого контура регулирования

Регулятор тока согласно имеет интегрально-пропорциональную характеристику.

Вторым контуром системы является контур регулирования производной тока якоря. Параметрами, характеризующими нелинейный элемент, являются коэффициент усиления на линейном участке k и максимальный сигнал задания производной тока U_max.

В состав регулятора производной тока входит два звена: пропорциональный регулятор с ограничением выходного напряжения и интегральный регулятор.

Передаточная функция регулятора производной тока определяется из выражения при , W_0к(p)=1:

,

а с учетом принятого построения регулятора

.

Передаточная функция замкнутого контура регулирования производной тока, полагая ,

.

Передаточная функция регулятора в режиме, когда ,

.

Передаточный коэффициент пропорционального регулятора определяется по постоянной времени

, .

Для регулирования скорости привода принята двукратно-интегрирующая система, которая может быть представлена как однократно-интегрирующая с дополнительным охватом обратной связью по скорости через интегрирующее звено (рис. 2.4, а).

Рис. 2.4. Контур регулирования скорости

По первому контуру определяют структуру и параметры компенсирующего регулятора скорости однократно-интегрирующей системы

где T₀?8T_м.

Окончательный выбор структуры регулятора скорости производится по преобразованной схеме (рис. 2.4, б). Регулятор преобразованной схемы должен быть выполнен интегрально-пропорциональным с передаточной функцией

и на входе системы должно быть включено апериодическое звено.

Полученный ПИ-регулятор имеет пропорциональную часть, равную W_р.с.

Передаточная функция для тока двигателя по возмущению (по нагрузке)

Изменение скорости в переходном режиме при приложении нагрузки

Схема регулятора скорости и апериодического звена приведена на рис. 2.4,в.

k_д.с - передаточный коэффициент датчика скорости

k_c - передаточный коэффициент обратной связи по скорости

Выбор регулятора тока возбуждения осуществляют по структурной схеме, показанной на рис. 2.5, а.

Рис. 2.5. Контур регулирования тока возбуждения

Передаточная функция регулятора тока возбуждения

где R_в, T_в - сопротивление и постоянная времени обмотки возбуждения; k_т.п - передаточный коэффициент преобразователя;

T_м - некомпенсируемая постоянная преобразователя.

k_д.т.в - передаточный коэффициент датчика тока

k_т.в - передаточный коэффициент обратной связи по току

Схема регулятора тока возбуждения приведена на рис. 2.5, б.

Регулятор скорости вырабатывает задающий сигнал для тока якоря и тока возбуждения. Принята линейная зависимость между токами главной цепи и цепи возбуждения. Согласование токов осуществляется пропорциональным регулятором (рис. 2.5, в).

2.2 Структурная система привода и расчет аналоговых регуляторов

Структурная схема привода имеет вид рис.2.6.

Рис.2.6. Структурная схема привода.

Так как выполняется условие T_м>4T_э, то можно при расчете внутреннего контура системы регулирования можно пренебречь внутренней ОС по ЭДС.

Т.о. передаточная функция разомкнутой части системы по току имеет вид

С целью повышения быстродействия внутреннего контура регулятор принимается настроенным на модульный оптимум

,

где T_м - некомпенсируемая постоянная времени внутреннего контура. С учетом особенностей тиристорного преобразователя можно принять T_м=3.3 мс.

Тогда передаточная функция внутреннего контура тока якоря можно представить в виде

.

Приближенно можно отнести постоянную времени T_мс=2T_м как некомпенсируемую постоянную времени внешнего контура.

Передаточная функция разомкнутого внешнего контура скорости

Для обеспечения заданного статизма системы регулятор скорости принимается настроенным на симметричный оптимум

Передаточная функция разомкнутой части системы по току возбуждения имеет вид

С целью повышения быстродействия внутреннего контура регулятор принимается настроенным на модульный оптимум

.

2.3 Расчет дискретных регуляторов системы управления

Регулятор в составе цифровой системы управления по определению является дискретным. Однако традиционно большинство динамических систем описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями, которые выводятся из физических законов, например сохранения массы и энергии. Аналоговый регулятор можно спроектировать на основе описания непрерывной системы с помощью передаточной функции или в пространстве состояний. Для того чтобы аналоговый регулятор реализовать компьютерными средствами, его модель необходимо подвергнуть процедуре квантования. При цифровом управлении можно идти другим путем, а именно: использовать в качестве исходной дискретную динамическую модель процесса, а затем спроектировать регулятор непосредственно на основе этой модели.

В общем случае если регулятор сначала проектируется как аналоговый, а затем преобразуется в дискретную форму, то интервал выборки обычно меньше, чем в случае, если регулятор спроектирован на основе дискретной модели; это означает более высокую загрузку процессора. Поэтому квантование аналоговых регуляторов обычно не рекомендуется, однако большинство ПИД-регуляторов проектируется таким способам.

Уравнения цифровых регуляторов, спроектированных непосредственно на основе дискретной модели процесса, похожи на уравнения аналоговых регуляторов после процедуры квантования, хотя и имеют другие значения коэффициентов. Анализ непрерывных и дискретных линейных систем выполняется сходным образом.

Хотя большинство процессов в действительности нелинейны, тем не менее, с помощью линейных регуляторов можно успешно управлять значительной частью таких систем.

2.3.1 Дискретная модель ПИД-регулятора

Для того чтобы аналоговый регулятор реализовать программно, необходима его дискретная модель. Если регулятор первоначально проектируется на базе аналогового описания, а затем строится его дискретная модель, при достаточно малых интервалах выборки производные по времени заменяются конечными разностями, а интегрирование - суммированием. Этот подход будет использован и в данном случае.

Ошибка выходной величины процесса вычисляется для каждой выборки

e(kh) = u_с(kh) - y(kh)

Предполагается, что интервал выборки h является постоянным. Любые изменения сигнала, которые могли подойти в течение интервала выборки, не учитываются.

Существует два типа алгоритма регулятора - позиционный и приращений.

Позиционный алгоритм

В позиционном алгоритме выходной сигнал представляет собой абсолютное значение управляющей переменной исполнительного механизма. Дискретный ПИД-регулятор имеет вид

u(kh) = u₀+ u_P(kh) + u_I(kh) + u_D(kh)

Даже при нулевой ошибке управления выходной сигнал отличен от нуля и определяется смещением u₀.

В соответствии с уравнением пропорциональная часть регулятора имеет вид

u_P(kh) = К * e(kh)

Интеграл аппроксимируется конечными разностями

с постоянной

Величина второго слагаемого при малых h и больших T_i, может стать очень маленькой, поэтому нужно позаботиться о том, чтобы обеспечить необходимую точность его машинного представления.

Соответствующие дифференциальные уравнения, связывающие u_D(t) и y(t), имеют вид

u_D(t)=KN[-y(t)+x_D(t)]

где x_D(t) вводится как переменная состояния (это можно проверить, применив преобразование Лапласа к уравнениям и исключив x_D(t).

Производная в уравнении аппроксимируется разностью назад

x_D(kh)=вx_D[(k-1)h]+(1-в)y(kh)

Следует обратить внимание, что аппроксимация разностью назад является численно устойчивой при любых T_d. Используя уравнение, дифференциальную часть ПИД-регулятора можно представить как

В дальнейшем считается, что 0 ? в < 1. Если постоянная времени T_f дифференциального члена становится равной нулю (т.е. N>), то в=0 и дифференцирование описывается простой разностной аппроксимацией выходного сигнала dy/dt. Аналогично, условие T_d=0 ведет к в=0, что приводит к u_D(kh)=0, т.е. дифференциальная составляющая в регуляторе отсутствует.

Алгоритм приращений

Альтернативным подходом является алгоритм ПИД-регулятора, в котором вычисляется лишь изменение его выходного сигнала. Алгоритм приращений ПИД-регулятора удобно применять, если исполнительный механизм представляет собой разновидность интегратора.

В алгоритме приращений рассматриваются только изменения управляющего выходного сигнала от момента времени (k-1)h до момента kh. Алгоритм регулятора записывается в виде

Дu(kh)=u(kh)-u[(k-1)h]=Дu_P(kh) + Дu_I(kh) + Дu_D(kh)

Пропорциональная часть алгоритма приращений вычисляется из уравнения.

Дu_P(kh)=u_P(kh)-u_P[(k-1)h]=K[e(kh)-e[(k-1)h]]=KДe(kh)

интегральная часть - из уравнения

Дu_I(kh)=u_I(kh)-u_I[(k-1)h]=Kбe(kh)

и дифференциальная часть - из уравнения

Дy(kh)=y(kh)-y[(k-1)h]

С вычислительной точки зрения алгоритм чрезвычайно прост. Для его применения, как правило, достаточно операций с плавающей точкой ординарной точности. В этом алгоритме не возникает проблем из-за насыщения. При переключении с ручного режима на автоматический регулятор, вычисляющий приращения, не требует присвоения начального значения управляющему сигналу (u₀ в позиционном алгоритме, уравнение). Исполнительный механизм можно привести в необходимое положение во время пуска, как при ручном, так и при автоматическом управлении.

Небольшим недостатком алгоритма приращений является необходимость учитывать интегральную составляющую. Опорное значение сокращается как в пропорциональной, так и дифференциальной частях, начиная со второй выборки после его изменения. Поэтому, если используется регулятор на базе алгоритма приращений без интегральной составляющей, возможен дрейф управляемого процесса от опорного значения.

2.3.2 Определение частоты выборки в системах управления

Главная задача первичной обработки сигнала заключается в его оцифровке и последующем восстановлении по набору дискретных значений. Теорема дискретизации не учитывает продолжительность вычислений для восстановления сигнала, и в теории это время может быть бесконечным. Более того, сигнал, анализируемый этой теоремой, считается периодическим, а в реальных системах управления это обычно не так. Эти факторы также влияют на частоту выборки.

Принято считать, что адекватная частота выборки связана с полосой пропускания или временем установления замкнутой системы. Некоторые эмпирические правила рекомендуют, чтобы частота выборки была в 6-10 раз выше, чем полоса пропускания, или чтобы время установления соответствовало, по крайней мере, пяти интервалам выборки.

Предыдущее обсуждение базировалось на непрерывном (аналоговом) описании системы. Один из способов определить подходящую частоту выборки замкнутой системы - считать, что аналоговая система подключена к цепи выборки и хранения нулевого порядка. Такую цепь можно аппроксимировать временной задержкой, равной половине интервала выборки, что соответствует отставанию по фазе на 0.5hщ_c радиан, где щ_c - ширина полосы пропускания (по уровню 3 дБ) и h - интервал выборки. В случае если допустимо дополнительное отставание по фазе на 5-15? (0.09-0.26 рад), связанное с цепью задержки, справедливо следующее утвержденной

hщ_c ? 0.15-0.5

Это правило обычно приводит к достаточно высокой частоте выборки, и в результате частота Найквиста оказывается значительно выше, чем ширина полосы пропускания системы.

2.2.3 Предотвращение интегрального насыщения

Интегральное насыщение представляет собой эффект, который наблюдается, когда ПИ-регулятор в течение длительного времени должен компенсировать ошибку, лежащую за пределами диапазона управляемой переменной. Поскольку выход регулятора ограничен, ошибку сложно свести к нулю.

Если ошибка управления длительное время сохраняет знак, величина интегральной составляющей ПИД-регулятора становится очень большой. Это, в частности, происходит, если управляющий сигнал ограничен настолько, что расчетный выход регулятора отличается от реального выхода исполнительного механизма. Так как интегральная часть становится равной нулю лишь некоторое время спустя после того, как значение ошибки изменило знак, интегральное насыщение может привести к большому перерегулированию. Интегральное насыщение является результатом нелинейностей в системе, связанных с ограничением выходного управляющего сигнала, и может никогда не наблюдаться в действительно линейной системе.

Рассмотрим сказанное на примере. ПИ-регулятор, основанный на позиционном алгоритме, используется для управления сервомотором. Опорное значение для угла поворота оси двигателя изменяется настолько, что происходит насыщение выходного управляющего сигнала - напряжения, подаваемого на двигатель. В действительности ускорение двигателя ограничено.

Величина интегральной составляющей ПИ-регулятора пропорциональна площади, ограниченной переходной характеристикой у и опорным значением u_c. Если ошибка u_c(t)-y(t) положительна, интегральный член будет возрастать; в противном случае он уменьшается. Пока управляющий сигнал неограничен, насыщение отсутствует. Если управляющий сигнал ограничен, реакция становится более медленной и интегральная часть увеличивается до тех пор, пока ошибка не изменит знак при t=t₁. Однако даже после изменения знака ошибки управляющий сигнал u остается большим и положительным в течение длительного времени, что приводит к значительному перерегулированию по y(t).

Одним из способов ограничить влияние интегральной части заключается в условном интегрировании. Пока ошибка достаточно велика, ее интегральная часть не требуется для формирования управляющего сигнала, а для управления достаточно пропорциональной части. Интегральная часть, используемая для устранения стационарных ошибок, необходима только в тех случаях, когда ошибка относительно невелика. При условном интегрировании эта составляющая учитывается в окончательном сигнале, только если ошибка не превосходит определенного порогового значения. При больших ошибках ПИ-регулятор работает как пропорциональный регулятор. Выбор порогового значения для активизации интегрального члена - далеко не тривиальная задача. В аналоговых регуляторах условное интегрирование можно выполнить с помощью диода Зенера (ограничителя), который подключается параллельно с конденсатором в цепи обратной связи операционного усилителя в интегрирующем блоке регулятора. Такая схема ограничивает вклад интегрального сигнала.

В цифровых ПИД-регуляторах избежать интегрального насыщения можно более удобным способом. Интегральную часть можно настроить на каждом интервале выборки так, чтобы выходной сигнал регулятора не превышал определенного предела. Управляющий сигнал u_d сначала вычисляется с помощью алгоритма ПИ-регулятора, а затем следует проверять, превышает ли он установленные пределы

Рис. 2.7. Иллюстрация проблемы интегрального насыщения для привода позиционирования с ПИ-регулятором

Случай а соответствует переходной характеристике без ограничения управляющего сигнала, поэтому насыщения нет; значения параметров управления - К = 0.4, h·K/T_i = 0.04. В случае б управляющий сигнал ограничен величиной 0.1; параметры К и T_i такие же, как в первом случае, механизм предотвращения интегрального насыщения отсутствует. В случае в показано действие механизма предотвращения интегрального насыщения в соответствии с уравнением (6.35); дополнительный параметр T_t=5.

На рисунке отчетливо видна разница между непрерывными сигналами измерений и дискретными управляющими сигналами регулятора

После ограничения выходного сигнала интегральная часть регулятора сбрасывается.

2.3.4 Алгоритм ПИД-регулятора

Ниже приведен алгоритм ПИД-регулятора. Вычисление коэффициентов c₁, c₂ и c₃ необходимо производить лишь в случае изменения параметров регулятора K, T_i, T_d и T_f. Алгоритм регулятора выполняется в момент каждой выборки. Программа также содержит защиту от насыщения интегральной составляющей.

Рис 2.8. Алгоритм ПИД-регулятора.

2.4 Расчет потребляемой мощности системой привода

Расчет мощности выполняется на основании диаграммы скорости движения сосудов, а также статических нагрузок.

Мощность необходимая для перемещения сосудов определяется на основании выражения

В качестве управляемых источников постоянного тока используются трехфазные тиристорные управляемые выпрямители по схеме Ларионова.

Характеристики выпрямителя имеют следующий вид

Выпрямленное напряжение

Активная мощность

Реактивная мощность

В системе привода используется два тиристорных преобразователя.

В якорной цепи нереверсивный, в цепи возбуждения - реверсивный.

При регулировании мощность, потребляемая цепями возбуждения одного двигателя составляет

Мощность потребляемая по якорной цепи определяется на основании выражения

При параллельной работе двигателей нагрузка распределяется равномерно системой управления, тогда статический ток одного двигателя

Момент и скорость вращения при работе системы привода являются заданными и варьировать эти величины нельзя. Поэтому рассмотрим влияние изменения тока возбуждения, и соответственно потока машины, на составляющие потребляемой мощности. Примем, что коэффициента потока определяется выражением kФ'=бkФ. Тогда относительная активная мощность

.

Изменение потока одновременно требует изменения напряжения якоря и тока возбуждения для поддержания заданной скорости вращения.

Относительная мощность представляет собой косинус угла управления P^*=cos б. Реактивная мощность в относительных единицах определяется выражением

Для двигателя П800-255 можно определить зависимость реактивной мощности от степени ослабления или усиления поля машины.

Т.к. статический момент на валу двигателя неизменен по величине, то определим зависимость потребляемой мощности в относительных величинах для различных скоростей вращения.

Выражения для параметров статического режима

,

,

где б - коэффициент изменения потока.

При различных б получаем зависимость требуемых тока и напряжения якоря, и затем на основании выражений для тиристорного преобразователя определяются (рис. 2.9):

выпрямленное напряжение

;

активная мощность

;

реактивная мощность

.

Рис. 2.9. Зависимость активной P_я^*, реактивной Q_я^* мощностей якорной цепи и активной мощности P_в^* цепи возбуждения относительно номинального значения.

На основании приведенных зависимостей можно утверждать, что увеличение потока на 5-10% относительно его номинального значения позволяет уменьшить потребляемую реактивную мощность 18-38%, при этом активная мощность уменьшается на 2-3%.

Таким образом, используя в контуре регулирования возбуждения или предварительный регулятор П или ПИ типа можно существенно снизить потребление реактивной мощности.

Увеличение потока возможно только за счет увеличения тока возбуждения в б раз и это приводит к увеличению в б² раз потерь мощности в обмотке. Однако с учетом того, что машины являются стационарными и имеют независимую систему охлаждения, возможно снизить температуру обмоток возбуждения путем повышения интенсивности охлаждения.

2.5 Анализ характеристик системы привода

Моделирование системы выполняется на основании следующей схемы

Рис. 2.10. Структурная схема модели системы привода в среде Matlab/

Рис. 2.11. Задание скорости.

Рис. 2.12. Среднее напряжение тиристорного преобразователя

Рис. 2.14. Ток якорной цепи двигателя

Рис. 2.15. Скорость вращения якоря двигателя

Рис. 2.16. Активная мощность тиристорного преобразователя

Рис. 2.17. Реактивная мощность тиристорного преобразователя

2.6 Сравнение систем по энергетическим характеристикам

Таблица 2.1. Потребляемая мощность до изменения

Интервал	Длительность, с	Скорость, м/с	Ускорение, м/с2	Перемещение, м	Момент, кНм	Мощность акт, кВт	Мощность реакт, кВАр
разгон, t1	4.667	14	3	32.667	2090	5860	9740
равномерное движение, t2	82.45	14	0	1154.312	1774	9930	5530
замедление, t3	4	2	-3	24	2120	848	11300
движение в разгрузочных кривых, t4	2.7	2	0	5.4	1774	1420	11300
замедление, t5	0.667	0	-3	0.667	1790	717	11300

Полное время подъема и разгрузки составляет 94.484 с.

Таблица 2.2. Потребляемая мощность после изменения

Интервал	Длительность, с	Скорость, м/с	Ускорение, м/с2	Перемещение, м	Момент, кНм	Мощность акт, кВт	Мощность реакт, кВАр
разгон, t1	4	14	3.5	28	2090	5810	5740
равномерное движение, t2	82.45	14	0	1154.31	1774	9900	4530
замедление, t3	3.42	2	-3.5	20.57	2120	808	9300
движение в разгрузочных кривых, t4	2.7	2	0	5.4	1774	1405	9300
замедление, t5	0.666	0	-3	0.666	1790	680	9300

Полное время подъема и разгрузки составляет 93.246 с.

Для сравнения в табл. 2.3. показаны основные энергетические характеристики

Таблица 2.3. Сравнительные энергетические показатели системы привода

	До внедрения	После внедрения
Средняя активная мощность за цикл, кВт	8050	7838
Средняя реактивная мощность за цикл, кВАр	6100	4538
Потери в цепи возбуждения двигателей, кВт	103.53	125.271
Максимальное ускорение, м/с2	3	3.5
Время подъема, с	94.484	93.246

Таким образом, предложенная система регулирования позволяет снизить потребляемую реактивную мощность на 25%.

3. Охрана труда

3.1 Электробезопасность

Электробезопасность - это система организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статического электричества [17].

Электроустановками называются установки, предназначенные для производства, преобразования, распределения электроэнергии, а также потребления электроэнегргии.

Сухими помещениями называются такие помещения, в которых относительная влажность воздуха не превышает 60%.

Сырыми помещениями называются помещения, в которых относительная влажность воздуха больше 60%, но не превышает 75%. Возможно кратковременное выделение паров и конденсирующейся влаги.

Сырыми помещениями называются помещения, в которых относительная влажность воздуха длительное время превышает 75%, но не превышает 100%. Помещения, в которых относительная влажность близка к 100% называют особо сырыми.

Помещения, в которых температура воздуха длительное время превышает +30 С, называются жаркими помещениями.

Помещения, в которых выделяется технологическая пыль в таких количествах, что она может проникать под кожухи и оседать на проводах называются пыльными помещениями. Пыльные помещения подразделяются на помещения с проводящей пылью и непроводящей.

Помещения, в воздухе которых содержатся газы или пары или образуются отложения, разрушающие изоляцию или токоведущие части оборудования, называются помещениями с химически активной средой.

Можно выделить следующие признаки повышенной опасности:

– наличие токопроводящих полов;

– наличие сырости (относительная влажность воздуха выше 75%) или проводящей пыли;

– повышенная температура воздуха - более +30 С;

– возможность одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землей корпусам технологического оборудования, с одной стороны, и к металлическим корпусам электрооборудования или токоведущим частям, с другой.

Признаки особой опасности:

– наличие особой сырости (относительная влажность воздуха приближается к 100%);

– наличие химически активной среды.

По этим признакам помещения разделяются на:

– помещения без повышенной опасности, в которых отсутствуют признаки как повышенной, так и особой опасности;

– помещения с повышенной опасностью, характеризующиеся наличием только одного признака повышенной опасности;

– особо опасные помещения, характеризующиеся наличием хотя бы одного признака особой опасности или одновременно двух или более признаков повышенной опасности.

Открытые или наружные электроустановки, которые эксплуатируются на открытом воздухе, следует приравнивать к электроустановкам, эксплуатирующимся в особо опасных помещениях, т.к. в зависимости от погоды возможны повышенная температура, проводящий ”пол” (открытый сырой грунт) и особая сырость.

Кроме того, по доступности электрооборудования следует различать:

– замкнутые электротехнические помещения, в которых установлено электрооборудование, не требующее постоянного надзора;

– электротехнические помещения - помещения или отгороженные части помещения, доступные только для обслуживающего электротехнического персонала, в которых установлено электрооборудование, требующее постоянного присутствия обслуживающего персонала.

– производственные помещения, в которых длительный контакт с электрооборудованием (электроприводами станков, осветительными установками и т.п.) имеют лица неэлектротехнических специальностей;

– бытовые помещения - это конторские, жилые, столовы и т.п.

В зависимости от вида электроустановки, номинального напряжения, режима нейтрали, условий среды помещения и доступности электрооборудования необходимо применять определенный комплекс необходимых защитных мер.

В электроустановках применяют следующие защитные меры:

– малые напряжения;

– электрическое разделение сетей;

– контроль состояния изоляции;

– компенсация емкостной составляющей тока замыкания на землю;

– обеспечение недоступности токоведущих частей;

– защитное заземление;

– зануление;

– двойная изоляция;

– защитное отключение.

Применение этих защитных мер регламентируется ПУЭ и Правилами эксплуатации электроустановок.

3.2 Режимы нейтрали трансформатора

Электрической сетью с эффективно заземленной нейтралью называется трехфазная электрическая сеть напряжением выше 1 кВ, в которой коэффициент замыкания на землю не превышает 1,4. В этом режиме нейтраль заземляется через малое активное сопротивление R₀ , во много раз меньшее емкостного сопротивления сети X_c, и равное нескольким омам. Емкостное сопротивление практически не оказывает влияния на значение тока однофазного замыкания на землю .

При металлическом замыкании на землю R_з=0 и ток зависит только от напряжения и сравнительно небольшого сопротивления нейтрали.

Глухозаземленной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление. Т.к. глухозаземленная нейтраль частный случай эффективно заземленной нейтрали, то ток замыкания на землю в этих сетях тоже может достигать больших значений [15]. Заземление нейтралей применяется в энергетических системах напряжением 110 кВ и выше и в сетях напряжением ниже 1 кВ.

Изолированной нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через приборы, имеющие большое сопротивление. Коэффициент замыкания на землю находится в пределах 1,4 - 1,73.