Разработка электропривода дымососа котельной

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В себестоимости энергии на тепловых электростанциях 60-70% составляют затраты на топливо. Потребление топлива, расходуемого на производство электроэнергии, а также на выработку пара и горячей воды для теплоснабжения промышленных предприятий, жилых домов и объектов культурно-бытового назначения, составляет значительную долю в тепловом балансе страны. Поэтому снижение удельного расхода условного топлива на единицу выработанной энергии является первостепенной экономической задачей. Основой снижения удельного расхода топлива на ТЭЦ является повышение давления пара и его температуры, а также совершенствование автоматизации котельных установок. В связи с этим, развитие современного котлостроения идет не только по пути количественного наращивания мощности, но и по пути их качественного совершенствования.

В настоящее время разработан ряд эффективных алгоритмов управления котлоагрегатами, аппаратная реализация которых, ввиду их высокой сложности, возможна только на базе современных микропроцессорных устройств.

Целью данной работы является разработка электропривода дымососа котельной, построенного на базе современного частотного преобразователя с векторным управлением.

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГ О ОБЪЕКТА

1.1 Принцип работы и описание конструкции водогрейного котла ДКВР 20-13ГМ

Таблица 1.1 - Технические характеристики котла ДКВР-20-13ГМ

Показатель	ДКВР-20-13ГМ
Паропроизводительность номинальная, т/ч	20
Давление пара, МПа (кг/см2)	1,3(13)
Температура пара, °С	194
Поверхность нагрева котла, м2: радиационная / конвективная / общая	51,3/357,4/408,7
Топливо	Газ,мазут
Объем котла, м3: паровой / водяной	1,80/10,5
Расход топлива, м3/ч (кг/ч): газа (мазута)	1550(1440)
КПД, %: газ / мазут	92/90
Экономайзер: чугунный	ЭБ1-646И
Дымосос	Д-12
Габаритные размеры (д Ч ш Ч в), м	9,7 Ч 3,2 Ч 7,6
Масса, кг	43 700

Паровые котлы ДКВР-20-13 с газомазутными топками - двухбарабанные, вертикально-водотрубные, предназначены для выработки насыщенного или перегретого пара, идущего на технологические нужды промышленных предприятий, в системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Преимущества

- Надежная гидравлическая и аэродинамическая схема работы котла обеспечивает высокий КПД - до 91%;

- низкий уровень затрат на эксплуатацию и обслуживание; 

- котел ДКВР имеет сборную конструкцию, что позволяет монтировать его в котельной, не разрушая стен, и быстро подключить к уже существующим системам;

- возможен перевод котла с одного вида топлива на другой;

- широкий диапазон регулирования производительности (от 40 до 150% от номинала) позволяет использовать котел с максимальной эффективностью и значительно экономить затраты на теплоэнергоснабжение; 

- Возможность перевода котла в водогрейный режим;

Конструкция котла позволяет использовать под заказ различные варианты комплектации КИПиА, в том числе автоматизированными горелками.

1.2 Устройство и принцип работы котла серии ДКВР

Конструктивная схема котлов серии ДКВР паропроизводительностью до 10 т/ч одинаково независима от используемого топлива и применяемого топочного устройства.

Котел имеет верхний длинный и нижний короткий барабаны, расположенные вдоль оси котла, экранированную топочную камеру и развитый кипятильный пучок из гнутых труб. Для устранения затягивания пламени в пучок и уменьшения потерь с уносом и химическим недожогом топочная камера котлов ДКВР камера догорания отделяется от топки трубами заднего экрана.

Рис. 1.1

Между первым и вторым рядами труб котельного пучка всех котлов также устанавливается шамотная перегородка, отделяющая пучок от камеры догорания.

Внутри котельного пучка имеется чугунная перегородка, которая делит его на первый и второй газоходы и обеспечивает горизонтальный разворот газов в пучках при поперечном омывании труб.

Вход газов из топки в камеру догорания и выход газов из котла - асимметричные. При наличии пароперегревателя часть кипятильных труб не устанавливается; пароперегреватели размещаются в первом газоходе после второго третьего рядов кипятильных труб.

Для осмотра барабанов и установки в них устройств, а также для чистки труб на днищах имеются овальные лазы размером 325 Ч 400 мм. Барабаны внутренним диаметром 1000 мм на давление 1,4 МПа изготавливаются из стали 16ГС или 09Г2С и имеют толщину стенки 13 мм. Экраны и кипятильные пучки котлов выполняются из стальных бесшовных труб. Для удаления отложений шлама в котлах имеются торцевые лючки на нижних камерах экранов, для периодической продувки камер имеются штуцеры диаметром 32?Ч 3 мм.

Пароперегреватели котлов типа ДКВР, расположенные в первом по ходу газов газоходе, унифицированы по профилю для котлов одинаковых давлений и отличаются для котлов разной производительности лишь числом параллельных змеевиков. Пароперегреватели - одноходовые по пару, обеспечивают получение перегретого пара без применения пароохладителей. Камера перегретого пара крепится к верхнему барабану, одна опора этой камеры делается неподвижной, а другая - подвижной.

Циркуляционная схема котла ДКВР

Питательная вода поступает в верхний барабан по двум питательным линиям, откуда по последним рядам труб конвективного пучка поступает в нижний барабан. Питание экранов производится необогреваемыми трубами из верхнего и нижнего барабанов. Фронтовой экран котла ДКВР питается водой из опускных труб верхнего барабана, задний экран - опускных труб нижнего барабана.

Пароводяная смесь из экранов и подъемных труб пучка поступает в верхний барабан. Все котлы снабжены внутри барабанными паросепарационными устройствами для получения пара. Котлы ДКВР опорной рамы не имеют. Неподвижной, жестко закрепленной точкой котла является передняя опора нижнего барабана. Остальные опоры нижнего барабана и камер боковых экранов выполнены скользящими. Камеры фронтового и заднего экранов крепятся кронштейнами к обдувочному каркасу. Камеры боковых экранов крепятся к опорной раме.

Котел снабжен контрольно-измерительными приборами и необходимой арматурой: 

- предохранительные клапаны, 

- манометры и трехходовые краны к ним, 

- рамки указателей уровня со стеклами и запорные устройства указателей уровня,

- запорные вентили и обратные клапаны питания котлов, 

- запорные вентили продувки барабанов, камер экранов, регулятора питания и пароперегревателя, 

- запорные вентили отбора насыщенного пара (для котлов без пароперегревателей), 

- запорные вентили для отбора перегретого пара (для котлов с пароперегревателями), 

- вентили для спуска воды из нижнего барабана.

Барабаны к котлам ДКВР

Соединения трубной системы котла ДКВР с барабаном производятся вальцованные, а не сварные, что повышает ремонтопригодность и надежность котла. Использование автоматизированных комплексов сварки позволяет изготавливать барабаны ДКВР высокого качества.



Рис. 1.2 - Барабаны к котлам ДКВР

1.2 Техническое задание на разработку электропривода дымососа в котельной

Наименование и область применения

Настоящее техническое задание составлено на разработку регулируемого электропривода дымососа.

Основание для разработки

Основанием для разработки является задание на дипломный проект.

Цель и назначение работы

Целью работы является разработка регулируемого электропривода дымососа.

Назначение работы - создание качественно новой системы с повышенными требованиями по надёжности, помехозащищённости, с мощными функциями операторского интерфейса.

Состав системы управления

Система состоит из:

- контроллера Siemens S7-300 с модулями расширения ввода-вывода, коммуникационными процессорами, промежуточными реле, источником бесперебойного питания =24 В, клеммами и т.д.

- двух пультов оператора с панелями OP-7.

- необходимого количества датчиков, установленных на соответствующих узлах линии.

- компонентов промышленных сетей для построения децентрализованной системы управления с контролем и диагностикой оборудования.

- электрошкафа для размещения компонентов системы.

Электрошкаф и пульты оператора располагаются в котельне в непосредственной близости от котлоагрегата.

Технические требования

Система должна обеспечивать работу котлоагрегата в соответствии с алгоритмом работы.

Управление и контроль за состоянием оборудования должно осуществляться с двух пультов оператора, находящихся в непосредственной близости от линии.

Вся информация должна представляться оператору на дисплее операторской панели в удобном для восприятия виде.

Система должна контролировать и отображать режимы работы котлоагрегата.

Оператор должен иметь возможность менять параметры работы котлоагрегата.

При сбоях в работе котлоагрегата должны выдаваться соответствующие аварийные сигналы на пульты оператора.

Технические требования к питающей сети:

- ном. напряжение 3-х фазной питающей сети 380В ± 10%;

- ном. напряжение 1-фазных цепей управления 220В ± 10%;

- частота питающей сети 50Гц ± 1%;

- питание контроллера и станции оператора должно осуществляться от источников бесперебойного питания.

Конструктивные требования:

- всё оборудование системы должно работать при температуре окружающей среды в диапазоне 0..40 С;

- оборудование системы управления, за исключением пультов оператора, должно располагаться в металлических шкафах со степенью защиты не ниже IP54;

- подвод кабелей к шкафу контроллера осуществляется снизу;

- электрошкаф должен иметь возможность подключения внешнего контура защитного заземления.

В первом разделе рассмотрены основные вопросы работы технологического процесса, сформулированы задачи разработки автоматизированной системы управления технологическим процессом, а также требования, предъявляемые к регулируемому электроприводу. Приведено задание на разработку системы.

2. РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

2.1 Обоснование выбора вентиляторных агрегатов

На котлоагрегате ДКВР 20-13ГМ установлен и дымосос типа Д-12. Выбор типа дымососа обоснован аэродинамическим расчетом тяги и дутья.

Центробежные дымососы одностороннего всасывания типа Д-12 предназначены для отсасывания дымовых газов из топок котельных агрегатов, оборудованных эффективно действующими системами золоулавливания, а также для отсасывания дымовых газов из топок газомазутных котельных агрегатов. Дымососы рассчитаны на продолжительный режим работы в помещении и на открытом воздухе в условиях умеренного климата. Запуск дымососов разрешается при температуре в улитке не ниже -30°С. Максимальная температура газов на входе в дымососы не должна превышать +200°С. Привод вентилятора осуществляется от электродвигателя, который соединяется с валом ходовой части вентилятора при помощи упругой втулочно-пальцевой муфты.

Рис. 2.1 - Габаритные и присоединительные размеры дымососа Д-12



Рис. 2.2 - Аэродинамические характеристики дымососа

ПараметрыД-12

Диаметр рабочего колеса, мм1200

Скорость вращения колеса, об/мин970

Производительность, тыс.м3/ч35

Полное давление, кгс/м2240

Полный наибольший к.п.д. 0.67

Потребляемая мощность, кВт54

2.2 Расчетная мощность электродвигателя

От правильного выбора электродвигателя по мощности зависит надежность работы электропривода и его энергетические показатели в процессе эксплуатации. В тех случаях, когда нагрузка двигателя существенно меньше номинальной, он переиспользуется по мощности, что говорит об излишних капитальных вложениях. Если нагрузка на валу двигателя превышает номинальную, то это приводит к росту токов в его обмотках, и потери мощности возрастают, вследствие чего температура двигателя может превысить допустимую величину, что приводит к снижению электрической прочности электроизоляционного материала, из-за изменения их физико-химических свойств. Это связано с опасностью пробоя изоляции обмоток и выходом двигателя из строя. Температура нагрева изоляции обмоток не должна превышать допустимого значения.

Второе условие выбора двигателя заключается в том, что его перегрузочная способность должна быть достаточной для устойчивой работы электропривода в периоды максимальной нагрузки.

При проектировании электропривода мощность выбирается большей по отношению к расчетной.

Основными параметрами тягодутьевых машин являются их производительность и создаваемый напор. Создаваемый напор (разрежение) представляет собой перепад полных давлений в выходном и входном патрубках машин. Характеристикой вентиляторов и дымососов считают зависимость между полным давлением Н и производительностью Q при данной частоте вращения и плотности перемещаемой среды, которые завод изготовитель обычно задает при температуре для дымососов в 200, вентиляторов в 20 и атмосферном давлении 760 мм рт. Ст.

Максимальная производительность тягодутьевой машины установленной на котле ДКВР-20-13ГМ составляет для дымососа:.

Потребляемая мощность при полной нагрузке тягодутьевой машины определяется по формуле:

где - расчетная производительность на входе в вентилятор, ;

- расчетный напор на входе в вентилятор, ;

- к.п.д. по характеристике вентилятора в точке, ,%.

Для дымососа Д-12 выбираем двигатель АИР250М6У3.

Таблица 2.1 - Основные характеристики двигателя АИР250М6У3

Наименование параметра, единицы измерения	Значение
Номинальная мощность на валу , кВт	55
Номиналное фазное напряжение , В	380
Номинальная частота напряжения статора , Гц	50
Число пар полюсов	3
Номинальная частота вращения ротора , об/мин	987
КПД в номинальном режиме, о.е.	0,90
КПД при загрузке двигателя на 50% з50%, о.е.	0,89
Коэффициент активной мощности в номинальном режиме о.е.	0,8
Коэффициент активной мощности при загрузке двигателя на 50% , о.е.	0,56
Номинальный ток статора, , А	104.17
Кратность пускового тока , о.е.	5,5
Кратность пускового момента , о.е.	1,8
Кратность максимального момента , о.е.	2,8
Момент инерции ротора двигателя , кг•м2	1,3

2.3 Расчет параметров схемы замещения АД

Т-образная схема замещения фазы асинхронного двигателя представлена на рис. 1.1. Сопротивление r1 характеризует электрические потери в обмотке статора Дрэ1 (рис 1.2), приведенное к статору активное сопротивление фазы обмотки ротора rґ2 характеризует электрические потери в обмотке ротора Дрэ2, фиктивное активное сопротивление контура намагничивания rm учитывает магнитные потери Дрм, механическая мощность Pмех равна мощности, рассеиваемой на сопротивлении . Индуктивные сопротивления x1 и xґ2 характеризуют создаваемые обмотками статора и ротора магнитные поля рассеяния, индуктивностью сопротивлением xm создается магнитное поле в воздушном зазоре.

Рис. 2.3 - Схема замещения асинхронного двигателя

Схема замещения не учитывает два вида потерь. При передаче механической мощности Рмех на вал электродвигателя возникают добавочные и механические потери (Дрдоб и Дрмех соответственно). Добавочные потери в номинальном режиме работы составляют 0,5% от потребляемой мощности. Механические потери - это потери на трение в подшипниках, обычно они составляют 1ч5% от мощности на валу.

Рис. 2.4

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

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:

2.4 Расчет параметров механической части электропривода дымососа

При частотном способе регулирования скорости вращения дымососов параметры Q и Н изменяются по следующим соотношениям:

;

.

К.п.д. дымососа при пересчете производительности Q и развиваемого давления Н при различных частотах вращения практически одинаковы.

Отсюда потребляемая дымососом мощность

,

где

;

Закон изменения статического момента сопротивления

Выполним приведение момента инерции механизма к валу электродвигателя, принимая кинематические связи привода абсолютно жесткими.

Момент инерции втулочно-пальцевой муфты принимаем равным 5% от момента инерции ротора двигателя

;Момент инерции ротора вентилятора

;

Момент инерции механизма приведенный к валу двигателя

Максимально допусти момент инерции нагрузки для электродвигателя 5А250М6У3

Момент инерции нагрузки меньше максимально допустимого момента инерции

Следовательно, выбранный электродвигатель обладает необходимой для совместной работы с дымососом Д-12 динамической перегрузочной способностью.

Суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя

Подставив выражение в уравнение движения электропривода

где М - электромагнитный момент, развиваемый приводным двигателем;

получим:

Запишем это уравнение в операторной форме и выразим передаточную функцию механической части электропривода, входной величиной которой является электромагнитный момент М, а выходной скорость вращения ротора двигателя



Т.к. все кинематические связи привода можно считать абсолютно жесткими, то частота вращения дымососа будет иметь ту же скорость вращения , что и ротор приводного электродвигателя.

2.5 Проверка двигателя по нагреву

Электрический двигатель при работе может нагреваться лишь до определенной (допустимой температуры), определяемой в первую очередь нагревостойкостью применяемых изоляционных материалов. Соблюдение установленных заводом - изготовителем ограничений по допустимой температуре нагрева, заложенных в паспортные данные двигателя, обеспечивает нормативный срок его службы 15...20 лет. Повышение допустимой температуры ведет к преждевременному разрушению изоляции обмоток и сокращению срока службы электрических машин. Так, превышение допустимой температуры нагрева на 8...10° С сокращает срок службы изоляции класса А в двое.

В современных электродвигателях применяется изоляция нескольких классов, допустимая (нормативная) температура нагрева, которых составляет: класса А - до 105°С, Е - до 120°С, В - до 130°С, Р - до 155°С, Н - до 180°С, С - свыше 180° С.

В настоящее время при изготовлении электродвигателей применяются изоляции классов В, F =155 и Н.

Сущность проверки двигателя по нагреву состоит в сопоставлении допустимой для него температуры с температурой при работе.

Очевидно, что если температура не превышает допустимую, то двигатель работает в допустимом тепловом режиме, и наоборот. Обычно оценивается не абсолютная температура, а так называемый перегрев , который представляет собой разность температур двигателя t и окружающей среды: =t - toc. При выполнении тепловых расчетов берется стандартная температура окружающей среды, равная 40°С, которой соответствует номинальная мощность электродвигателя, указанная на его щитке. При более низкой температуре окружающей среды двигатель может быть нагружен несколько выше номинальной мощности, а при более высокой температуре его нагрузка должна быть снижена или следует предпринять меры по дополнительному его охлаждению или замене на более мощный электродвигатель. Двигатель работает в допустимом тепловом режиме при выполнении условия:

рабдоп,

где доп - допустимый (нормативный) перегрев двигателя, определяемый классом его изоляции;

раб - перегрев двигателя при работе.

В качестве раб при проверке выбирают средний или максимальный за время работы двигателя перегрев. При ориентировании на средний перегрев будет иметь место наиболее полное использование двигателя, хотя в некоторые периоды его работы перегрев будет превышать средние значения. Если же ориентироваться на максимальный перегрев, то рабочий перегрев двигателя всегда будет меньше нормального, но при этом двигатель будет недоиспользован по своей мощности.

Проверка условия может быть произведена прямым или косвенным методами. Использование прямого метода предусматривает расчет и построение кривой перегрева за цикл работы двигателя. По этой кривой определяют максимальный или средний перегревы, и на основании этого судят о тепловом режиме двигателя.

Для использования прямого метода необходимо иметь математическое описание (математическую модель) теплового режима двигателя. Точное описание процессов нагрева и охлаждения двигателей является очень сложной задачей. Двигатель представляет собой совокупность деталей и узлов различной конфигурации, выполненных из различных материалов, что обусловливает и их различные теплоемкости и теплопередачу. Неодинаковыми являются условия нагрева отдельных частей двигателя, а направление тепловых потоков зависит от режима его работы.

В связи с трудностями проведения точного анализа при исследовании тепловых процессов в двигателях обычно принимают следующие допущения: двигатель рассматривается как однородное тело, имеющее бесконечно большую теплоемкость и одинаковую температуру во все точках; теплоотдача во внешнюю среду пропорциональна первой степени разности температур электродвигателя и окружающей среды; окружающая среда обладает бесконечно большой теплоемкостью, т. е. В процессе нагрева двигателя ее температура не изменяется; теплоемкость двигателя и коэффициент его теплоотдачи не зависят от температуры.

С учетом вышеупомянутого можно записать следующее исходное уравнение теплового баланса:

Pdt=Adt+Cd,

где Р - потери мощности в двигателе, Вт;

С - теплоемкость двигателя, Дж/С.

Уравнение (2.11) имеет решение вида:

где - установившееся превышение температуры двигателя, °С;

- тепловая постоянная времени нагрева или охлаждения двигателя в секундах;

нач - начальный перегрев двигателя, °С;

Р - потери мощности в двигателе (), Вт;

А - теплоотдача двигателя, Дж/с°С ;

С - теплоемкость двигателя, Дж/°С.

Теплоотдачу двигателя определяют по формуле:

,

где Qдоп - допустимое превышение температуры изоляции для данного типа.

Класс изоляции - в, соответственно Qдоп = 155 °С.

Получаем:

Дж/°С.

По справочным данным находим теплоемкость двигателя С=118439 Дж/°С.

Теплоотдача двигателя при неподвижном роторе А0 и при номинальной скорости А связаны зависимостью:

,

где - коэффициент для асинхронных двигателей серии 5А с осью вращения 200-250 мм и числом полюсов Z = 3 равен 0,3.

Тепловая постоянная времени нагрева двигателя будет равна:

,

Подставив значения в уравнение (2.15), получим:

с.

Постоянная времени охлаждения двигателя T0 связана с постоянной времени нагрева Тп соотношением:

Получим с.

Зная значение мощности на валу при номинальной частоте, найдя по справочникам значения постоянных времени нагрева Т, при соответствующих значениях i рассчитав потери мощности, строим график изменения температуры двигателя во времени в соответствии с формулой (2.10), где за начальное значение нач принимаем =0 °С. По графику определяем максимальную температуру нагрева двигателя. Она равна max=78 °С, что меньше предельно допустимого Qmax=90 °С. Тем самым выполняется условие (2.10), следовательно, выбранный электродвигатель подходит по условиям нагрева. Для технологического процесса работы котлоагрегата принят дымосос Д-12, управление которым целесообразно осуществлять от специального контроллера. Выбранный электродвигатель подходит по условиям нагрева.

3. РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ И ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ - МЕХАНИЗМ

3.1 Моделирование переходных процессов асинхронного двигателя

В разделе 2 приведены полные характеристики принятого асинхронного двигателя.

Построение механических характеристик электродвигателя производится с помощью программы eDrive. Программа предназначена:

- для моделирования систем и компонентов электропривода;

- выбора двигателей, преобразователей, редукторов;

- анализ статических и динамических режимов работы электропривода;

- настройки систем электропривода;

- создания отчетов о работе электропривода.

Рис. 3.1

Программа eDrive

Рис. 3.2

Механическая характеристика двигателя

Для построения графиков переходных процессов при прямом пуске двигателя от сети, создадим модель (рисунок 3.3), обеспечивающую снятие переходных процессов электропривода. Результаты моделирования выведем на графики и проанализируем полученные результаты.

Рис. 3.3 - Модель прямого пуска асинхронного двигателя



Рис. 3.4

Блок круговой диаграммы

Рис. 3.5

Блок механической характеристики

После включения двигателя происходит резкий скачек тока и момента. После разгона двигателя значения тока, момента и скорости достигают номинальных параметров.



Рис. 3.6 - Скорость на валу двигателя

Рис. 3.7 - Момент на валу двигателя

На основе полученных результатов можно сделать вывод, что наиболее опасным режимом является пусковой режим, т.к. возникают нежелательные броски момента.



Рис. 3.8 - Динамическая механическая характеристика двигателя

Проведенные расчеты прямого пуска асинхронного двигателя показывают, что электромагнитные процессы статора затухают через 1.5 с время пуска самого двигателя составляет меньше 0.9 с.

4. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

4.1 Выбор электродвигателя дымососа

Дымосос Д-12 оснащен асинхронным двигателем типа АИР. Электродвигатели серии АИР относятся к группе унифицированных асинхронных двигателей общепромышленного назначения. Они применяются для привода самых различных машин и механизмов: насосов и вентиляционных систем, станочного оборудования, компрессоров и прочих установок.

Популярность, которой пользуются электродвигатели серии АИР, объясняется их преимуществами: простотой конструкции, высокой ремонтопригодностью и доступной стоимостью.

Выбираем асинхронный двигатель типа АИР250М6У3, технические данные которого приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1 - Основные характеристики двигателя АИР250М6У3

Наименование параметра, единицы измерения	Значение
Номинальная мощность на валу , кВт	55
Номинальное фазное напряжение , В	380
Номинальная частота напряжения статора , Гц	50
Число пар полюсов	3
Номинальная частота вращения ротора , об/мин	987
КПД в номинальном режиме, о.е.	0,90
КПД при загрузке двигателя на 50% з50%, о.е.	0,89
Коэффициент активной мощности в номинальном режиме о.е.	0,8
Коэффициент активной мощности при загрузке двигателя на 50% , о.е.	0,56
Номинальный ток статора, , А	104.17
Кратность пускового тока , о.е.	5,5
Кратность пускового момента , о.е.	1,8
Кратность максимального момента , о.е.	2,8
Момент инерции ротора двигателя , кг•м2	1,3

4.2 Выбор и описание преобразователя частоты

4.2.1 Сравнительный анализ преобразователей частоты

При внедрении системы энергосберегающего электропривода возникает непростая задача правильного выбора фирмы - поставщика преобразовательной техники, средств управления и технологической автоматики. При таком выборе следует, очевидно, руководствоваться следующими соображениями:

- известностью и традициями фирмы-изготовителя на рынке преобразовательной техники и средств автоматизации;

- наличием в производственной программефирмы всего комплекса необходимого оборудования; надежностью оборудования;

- оптимальными показателями по соотношению "цена-качество";

- предшествующим положительным опытом промышленного использования изделий фирмы на аналогичных объектах;

- сроками гарантии;

- присутствием в регионе успешно функционирующих и соответствующим образом оснащенных сервисных центров по гарантийному и постгарантийному обслуживанию и техническому сопровождению продаваемого оборудования;

- возможностью обучения производственного персонала работе с современной техникой;

- сроками восстановления вышедшего из строя оборудования и т.д.

Немаловажным фактором, способствующим успешному внедрению регулируемого электропривода, является грамотный инжиниринг, который должен выполняться только опытными специалистами и обеспечивать оптимальный выбор оборудования, высокое качество проектов и эффективную организацию работ по внедрению.

Выполним обзор серийно выпускаемых типов приводов и их характеристик с использованием

Многие современные преобразователи частоты содержат в себе функции так называемого энергосберегающего управления, которое заключается в более гибком управлении напряжением двигателя при изменении нагрузки, что позволяет в некоторых режимах дополнительно сэкономить до 30% потребляемой электроэнергии за счет снижения потерь в двигателе. Режим энергосбережения особенно актуален для механизмов, которые часть времени работают с пониженной нагрузкой. Примером могут служить конвейеры, насосы, вентиляторы и т.п. Учитывая тот факт, что во многих случаях асинхронные двигатели выбираются с существенным запасом по мощности и, следовательно, часто работают с неполной нагрузкой, можно ожидать высокой эффективности широкого использования энергосберегающих преобразователей частоты.

Номенклатура регулируемых электроприводов для низковольтных электродвигателей (на напряжение 0,4 кВ) до недавнего времени основывалась на импортных преобразователях частоты производства фирм ABB, Siemens, Mitsubishi Electric.

4.2.2 Расчёт мощности преобразователя частоты

При работе одного ПЧ с одним двигателем выбор ПЧ может производиться по следующим параметрам:

1.1 Паспортная мощность ПЧ [кВт] должна быть больше или равна паспортной мощности двигателя [кВт].

; ;

1.2 Номинальный длительный ток ПЧ должен быть больше (или равен) фактического длительного тока, потребляемого двигателем.

Для привода дымососа выберем преобразователь частоты Siemens MICROMASTER 440, его модель 6SE64402UD375FA1, номинальная мощность 75кВт.

Основные характеристики

* Легко устанавливать, параметрировать и пускать в эксплуатацию.

* Малое время отклика на сигналы управления.

* Соответствует международным нормам электромагнитной совместимости.

* Может работать с источниками энергии сравнимой мощности.

* Обширный набор параметров, которые дают возможность конфигурирования для широких областей применения.

* Простое присоединение проводов.

* Релейные выходы.

* Аналоговые выходы 0-20мА.

* 6 изолированных переключаемых pnp/npn дискретных входов.

* 2 аналоговых входа:

AIN 1 - 0-10В, 0-20мА или -10 до +10В

AIN 2 - 0-10В, 0-20мА

* Два аналоговых входа могут использоваться как 7-й и 8-й дискретные входы.

* Модульная конструкция для очень гибкой конфигурации.

* Высокая частота коммутации для бесшумной работы электродвигателя.

* Подробная информация о состоянии и встроенные функции сообщений.

Функциональные особенности

* Векторное регулирование без датчика скорости

* Регулирование потока (FCC) для улучшения динамических характеристик и повышения качества регулирования электродвигателя

* Мгновенное ограничение тока (FCL) для работы без отключения двигателя

* Встроенное динамическое торможение постоянным током

* Комбинированное торможение для улучшения возможностей торможения

* Времена ускорения и торможения с программируемым сглаживанием

* Использование замкнутого PID регулятора с автоподстройкой

* Встроенный прерыватель тормоза

* Выбираемая интенсивность разгона и остановки

* 4-х точечная интенсивность сглаживания

* Многоточечная V/f характеристика, задаваемая пользователем

* Установленные параметры могут быть перенесены на другие устройства

аналогичных процессов

Особенности защиты

* Защита от повышенного и пониженного напряжений

* Защита преобразователя от перегрева

* Защита от замыкания на землю

* Защита от короткого замыкания

* Защита от перегрева двигателя по потерям I2 t

* Защита двигателя по термисторам PTC/KTY

4.3 Микропроцессорный контроллер ПРОТАР

Рис. 4.1 - Микропроцессорный контроллер ПРОТАР

водогрейный котел дымосос электропривод

Приборы ПРОТАР разработаны и выпускаются с 1983 года Московским заводом тепловой автоматики МЗТА. Основой ПРОТАРа является однокристальная микроЭВМ КР1816 (КМ1816ВЕ39). Эти приборы предназначены для использования в одноконтурных схемах стабилизации координат ТОУ, для программного, каскадного, многосвязного регулирования с реализацией сравнительно простых алгоритмов обработки информации.

Автоматические системы регулирования котла строятся на базе микропроцессорных (цифровых) регулирующих приборов серии ПРОТАР. Данные регулирующие приборы являются функционально насыщенными и зарекомендовали себя в промышленной эксплуатации как достаточно надежные.

Регуляторы ПРОТАР могут работать в режимах с «жесткой» структурой и со свободно программируемой структурой. Спроектированная система управления ориентирована на работу регуляторов в режиме со свободно программируемой внутренней структурой. Этот режим позволяет реализовать все необходимые функции систем регулирования без установки дополнительных аппаратных средств, в отличие от аналоговых средств автоматизации. При этом, однако, следует иметь в виду необходимость разработки специальных программ функционирования регулирующих приборов для соответствующих систем регулирования.

Регулирующие приборы ПРОТАР позволяют в режиме со свободно программируемой структурой организовать управление двумя исполнительными механизмами, что снижает затраты на аппаратурную часть системы управления. Однако для повышении живучести системы управления котлом при ее проектировании реализован подход «один регулирующий прибор на одну систему регулирования». При этом повышается эксплуатационная надежность системы управления в целом при некотором возрастании стоимости системы.

Для регулятора ПРОТАР в качестве информационных входных аналоговых сигналов используются унифицированные токовые сигналы 0…5 мА или 0…20 мА. Поэтому в информационных (измерительных) каналах систем регулирования должны быть установлены устройства нормирования сигналов (преобразователи).

Преобразование унифицированного токового сигнала во входной сигнал напряжения прибора ПРОТАР осуществляется с помощью резисторов (входных устройств токовых типа ВТ, поставляемых с прибором ПРОТАР). Следовательно, схемы внешних электрических соединений АСР дополняются схемами коммутации этих резисторов (параллельно входным клеммам регулятора).

Приборы ПРОТАР обеспечивают:

- ввод и преобразование аналоговых и дискретных сигналов; выработку аналоговых, импульсных, дискретных управляющих сигналов;

- цифровую индикацию входных, выходных и промежуточных сигналов,

- светодиодную индикацию дискретных сигналов;

- реализацию блока ручного управления;

- связь по последовательному интерфейсу с другими приборами и с верхним уровнем управления.

Приборы ПРОТАР имеют высокую точность установки и воспроизведения параметров настройки. Программа не требует для ввода специальных знаний в программировании.

Программа - это последовательность команд (не более 100 шагов) в виде функций или алгоблоков, каждый из которых является самостоятельным блоком структурной схемы, и переменных, которые в свою очередь являются входными сигналами или резу льтатами вычислений, или параметрами настройки алгоритмов и алгоблоков.

Структура прибора ПРОТАР

В состав регулирующего прибора ПРОТАР входят следующие основные блоки (рисунок 4.9): устройство ввода информации (УВВИ), устройство вывода информации (УВИ), цифровое вычислительное устройство (ЦВУ), пульт оператора (ПО)

Блок УВВИ содержит средства обработки аналоговых сигналов (с помощью преобразователя АЦП) и дискретных сигналов (с помощью ДЦП) с преобразованием их в цифровую двоичную форму, необходимую для ввода в ЦВУ. Элементы ЦВУ реализованы программно и имеют виртуальную структуру

В состав устройства УВИ входит преобразователь ЦАП для вывода аналогового сигнала у. Выходные бесконтактные ключи обозначены как zi (zБ.1, zМ.1, zВ, zН, zОТК отказ). УВИ содержит также аппаратные средства переключения режима управления и контактный дискретный выход z. Состояние выхода z зависит от режима управления.



Рис. 4.2 - Структура и состав регулирующего прибора протар

Пульт оператора (ПО) состоит из цифрового дисплея (ЦД), четырехкнопочного замыкателя для управления работой дисплея, программирования и настройки параметров, а также четырехкнопочной станции управления с функциями блока ручного управления.

Таблица 4.2 - Технические характеристики

Максимальное количество шагов программы	100
Потребляемая мощность	не более 10 ВА
Масса, кг, прибора не более	2,6 (для модификаций ПРОТАР 101, 102, 120); 3,1 вместе с выносным пультом оператора (для модификаций ПРОТАР 110, 111, 112, 130)
Габаритные размеры (высота х ширина х глубина), мм	прибора 120х60х370; выносного пульта оператора 130х60х32 (для модификаций ПРОТАР 110, 111, 112, 130)
Монтаж	щитовой утопленный на вертикальной плоскости



Рис. 4.3 - Общий вид. Габаритные размеры прибора ПРОТАР: 1-корпус; 2-рама; 3-штепсельный разъем; 4-винт; 5-модуль резервного питания; 6 - винт заземления прибора

Рис. 4.4 - Принципиальная функциональная схема приборов ПРОТАР

4.4 Датчик разряжения АДР-0,25.3

Измерительный датчик АДР преднозначен для:

- непрерывного измерения значения избыточного давления воздуха;

- формирование дискретных выходных сигналов при достижении фавлением заданных уровней;

- регулирования давления по ПИ-закону:

- стабилизация давления;

-формирование токового выходного сигнала 4-20мА, пропорционального измеряемому параметру.

Рис. 4.5 - Схема регулятора разряжения в топке котла

5. Анализ и синтез системы управления электропривода

Рассмотрим основной принцип построения векторной системы управления.

Идея векторной системы управления асинхронным двигателем заключается в реализации раздельного управления скоростью и потокосцеплением. Ток двигателя измеряется в неподвижной системе координат x-y и преобразуется во вращающуюся систему координат б-в (рисунок 5.1).

Рис. 5.1 - Система координат б-в в системе координат x-y

При ориентации оси б по вектору потокосцепления ротора проекция вектор I1а определяет величину потокосцепления, а проекция I1в пропорциональна скорости вращения вала двигателя.



Рисунок 5.2 - Функциональная схема векторной системы управления: iб ,iв - токи во вращающейся с частотой ис системе координат; ix, iy - токи в системе координат жестко связанной со статором; iА, iВ, iС - фазные токи статора

На рисунке 5.2 приведена функциональная схема векторной системы управления, из которой видно, что управляемые величины проходят определенные преобразования координат, которые носят название: «Преобразования Кларка и Парка». Преобразование происходит в несколько этапов:

- из вращающейся с частотой ис системы координат б-в в неподвижную жестко связанную со статором систему координат x-y;

- преобразование из системы координат x-y в трехфазную систему координат ABC.

Преобразование Кларка использует трехфазные токи iА, iВ и iС для того, чтобы вычислить токи в двухфазной ортогональной системе координат статора в осях ix и iy. Полученные два тока в неподвижной системе координат статора преобразуются к iб, iв составляющим токов в системе координат б-в в соответствии с преобразованием Парка.

Таблица 5.1 - Исходные данные

Параметр	Значение	Ед. изм.
Номинальная частота вращения ротора	103,65	с-1
Номинальный момент Мн	532,1	Н?м
Максимальный момент Ммах	1489,82	Н?м
Номинальный ток статора Iн	116,06	А
Критическое скольжение sкр	0,074
Номинальное скольжение sном	0,013
Сопротивление	активное статора RS	0,0552	Ом
	активное ротора RR	0,0289	Ом
	реактивное статора XS	0,1606	Ом
	реактивное ротора XR	0,2216	Ом
Сопротивление взаимоиндукции Xm	4,9494	Ом
Полная индуктивность	статора LS	0,000511	Гн
	ротора LR	0,000706	Гн
Взаимная индуктивность статора и рота приведенная к статору Lm	0,0158	Гн
Коэффициент магнитной связи статора и ротора kr, ks	kr -22.37 ks-30.91
Коэффициент рассеяния машины	0,059
Частота питающей сети fс	50	Гц
Суммарный момент инерции	52,335	кг?м2

Структурная схема векторной системы управления с ориентацией по потокосцеплению ротора двигателя изображена на рисунок 5.3.



Рис. 5.3

5.1 Синтез регуляторов системы управления

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 нескомпенсированную 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:

5.2 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:



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:



В результате моделирования получили следующие результаты.

Рис. 5.4 - График переходных процессов при пуске

Анализируя полученные результаты полученные при моделировании делаем выводы:

- Векторная система управления позволяет почти полностью исключить опасные броски тока и момента;

- Перед пуском необходима пауза для возбуждения машины;

- Позволяет управлять моментом двигателя;

5.3 Расчет структурной схемы в относительных единицах

Для расчета структурной схемы в о.е. необходимо задаться базисными значениями. 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:



Регулятор скорости:

Инерционная постоянная привода:

Рис. 5.5 - Переходные процессы в приводе при пуске, и останове привода.

5.4 Анализ статических и динамических свойств электропривода

Определим по графику статическую ошибку по скорости.

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. КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Требования по конструированию пультов управления и силовых шкафов дымососа выполнить согласно ГОСТ 14254-80.

Для обеспечения удовлетворительного теплоотвода с помощью соответствующего охлаждения конструкция должна отвечать следующим требованиям:

1) обеспечивать хорошее обтекание холодным воздухом всех элементов, особенно теплонагруженных;

2) теплочувствительные элементы должны располагаться ближе к стенкам;

3) теплочувствительные элементы должны быть защищены от обтекания нагретым воздухом;

4) теплочувствительные блоки, аппаратура и приборы должны отстоять от основания и стенок оболочки, и друг от друга не менее чем на 20 мм для свободного обтекания воздухом.

5) Теплонагруженные элементы должны иметь хорошие тепловые контакты с несущими узлами системы.

Силовой канал конструктивно состоит из следующих частей: силовых контакторов, автоматических выключателей, электромагнитов и элементов сигнализации.

Конструкция электронной аппаратуры с печатным монтажом отличается стабильностью электрических параметров, высокой механической прочностью и надёжностью, так как все детали и элементы прочно связаны с изоляционной платой; возможностью уменьшения габаритных размеров и массы, что позволяет значительно расширить область применения.

При компоновке функциональных узлов с печатным монтажом важно знать характеристики печатных проводников, выполненных различными способами.

При химическом способе легко получить проводники шириной до 0,3 мм зазоры 0,2 мм с точностью контура изображения до 0,05 мм. При этом используются фольгированные изоляционные материалы: стеклотекстолит с наклеенной медной фольгой толщиной до 1 мм или низкочастотный фольгированный диэлектрик толщиной от 0,8 до 3 мм.

При конструировании печатных плат рекомендуется использовать платы с диэлектриком толщиной 0,2; 0,5; 0,8; 1,6; 2,4; 3,2 и 6,4 мм.

Для платы системы управления выбираю стеклотекстолит толщиной 0,8 мм с наклеенной на него фольгой толщиной 50 мкм.

Ширина и толщина печатного проводника определяется плотностью тока, которая не должна превышать.

Всего используется 1 печатная плата с элементами системы управления.

Максимальная плотность тока, протекающего через печатные проводники составляет j=20А/мм2. Толщина покрытого слоем припоя проводника составляет h=0,5мм. Тогда ширина проводника вычисляется по формуле

мм.

В качестве материала для печатных плат по выбираем стеклотекстолит теплостойкий фольгированный травящийся марки СТФ-2 ТУ16-503.161-83, код ОПК 22 9613 3300 толщиной 1,5 мм для системы управления, 3 мм для силовых схем, толщина фольги 35 мкм. Данный материал предназначен для изготовления обычных и многослойных печатных плат методом металлизации сквозных отверстий или другими методами.

Для соединения элементов с проводниками печатной платы выбираем припой оловянно-свинцовый ПОС-61 ГОСТ21931-76, предназначенный для

лужения и пайки тонких проводов и спиральных пружин в измерительных приборах, монтажных соединений обмоточных проводов диаметром 0,05…0,08 мм и литцендрата, резисторов, конденсаторов, герметичных швов стеклянных проходных изоляторов, печатных схем и при производстве полупроводниковых приборов, т.е. там, где не допускается перегрев.

Для защиты печатной платы выбираем эпоксидный электроизоляционный покрывной лак ЭП-9114 ОСТ6-10.429-79, код ОПК 23 1132 2700, предназначенный для защиты печатных узлов, эксплуатируемых при температуре -60…+125°С. Время высыхания при температуре 60°С составляет 8ч.

При подготовке микросхем к монтажу на печатные платы (операции рихтовки, формовки и обрезки выводов) выводы подвергаются растяжению, изгибу и сжатию. Поэтому при выполнении операций по формовке необходимо следить, чтобы растягивающее усилие было минимальным. В зависимости от сечения выводов микросхем оно не должно превышать определенных значений (например, для сечения выводов от 0,1 до 2 мм2 не более 0,245…19,6 Н).

Формовка выводов прямоугольного поперечного сечения должна производится с радиусом изгиба не менее удвоенной толщины вывода, а выводов круглого сечения с радиусом изгиба не менее двух диаметров вывода. Участок вывода на расстоянии 1 мм от тела корпуса не должен подвергаться изгибающим и крутящим деформациям. Обрезка незадействованных выводов микросхем допускается на расстоянии 1 мм от тела корпуса.

В процессе операций формовки и обрезки не допускаются сколы и насечки стекла и керамики в местах заделки выводов в тело корпуса и деформация корпуса.

Основным способом соединения микросхем с печатными платами является пайка выводов, обеспечивающая достаточно надежное механическое крепление и электрическое соединение выводов микросхем с проводниками платы.

Для получения качественных паянных соединений производят лужение выводов корпуса микросхемы припоями и флюсами тех же марок, что и при пайке. При замене микросхем в процессе настройки и эксплуатации РЭА производят пайку различными паяльниками с предельной температурой припоя 250 С, предельным временем пайки не более 2 с и минимальным расстоянием от тела корпуса до границы припоя по длине вывода 1,3 мм. Качество операции лужения должно определяться следующими признаками:

- минимальная длина участка лужения по длине вывода от его торца должна быть не менее 0,6 мм, причем, допускается наличие «сосулек» на концах выводов микросхем;

- равномерное покрытие припоем выводов;

- отсутствие перемычек между выводами.

Необходимо поддерживать и периодически контролировать (через 1…2ч) температуру жала паяльника с погрешностью не хуже ±5С. Кроме того должен быть обеспечен контроль времени контакта выводов микросхем с жалом паяльника, а также контроль расстояния от тела корпуса до границы припоя по длине выводов. Жало паяльника должно быть заземлено (переходное сопротивление заземления не более 5 Ом).