Проектирование электропривода наматывающего устройства
Кинематическая схема наматывающего устройства. Выбор системы электропривода и типоразмера электродвигателя. Расчет систем автоматического регулирования и выбор элементов контуров регулирования. Синтез системы включения электропривода и выбор аппаратов.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.01.2014 |
| Размер файла | 2,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Оглавление
- Введение
- 1. Технические характеристики механизма. Требования к САУ ЭП
- 2. Выбор системы электропривода и типоразмера электродвигателя
- 3. Выбор силового оборудования и расчет параметров электропривода
- 4. Разработка структуры САУ
- 5. Синтез систем автоматического регулирования и выбор элементов контуров регулирования
- 5.1 Синтез контуров регулирования
- 5.1.1 Контур тока якоря
- 5.1.2 Контур скорости
- 5.1.3 Контур тока возбуждения
- 5.1.4 Контур ЭДС
- 5.1.5 Контур натяжения
- 5.2 Расчет электрических параметров регуляторов
- 5.2.1 Контур тока якоря
- 5.2.2 Контур скорости
- 5.2.3 Контур тока возбуждения
- 5.2.4 Контур ЭДС
- 5.2.5 Контур натяжения
- 6. Анализ динамики электропривода
- 7. Синтез и расчет узлов ограничений и защит
- 7.1 Расчет время - токовой защиты:
- 7.2 Максимально-токовая защита.
- 8. Синтез системы включения электропривода и выбор аппаратов
- Заключение
- Литература
Введение
Существует большое число технологических агрегатов, на которых важно поддерживать постоянным натяжение материала, который наматывается на барабан машины (или сматывается с него) или транспортируется натяжными роликами. Этим материалом может быть металлическая лента, пленка, резиновая лента, проволока и т.п.
Точность поддержания натяжения в ряде случаев оказывает решающее влияние на весь ход технологического процесса: на толщину и физико-механические свойства ленты, качество смотки рулона, число оборотов машины и т.п.
Преимущественно системы управления ЭП имеют два режима работы:
- режим регулирования скорости (служит для заправки полосы, транспортирование ее без натяжения и является вспомогательным, часто выполняется вручную);
- режим натяжения (является основным и должен обеспечивать точное поддержание натяжения).
Принципиально системы регулирования натяжения могут быть построены как с непосредственным измерением натяжения, так и путем измерения и регулирования некоторых косвенных параметров.
В данном курсовом проекте ставится задача разработки задача разработки системы электропривода наматывающего устройства. Требуется выбрать систему электропривода, силовое оборудование, разработать структуру САУ, проанализировать динамические показатели.
1. Технические характеристики механизма. Требования к САУ ЭП
На рис. 1. приведена кинематическая схема наматывающего устройства:
Рис. 1. Кинематическая схема механизма: 1 - электродвигатель; 2 - редуктор (с передаточным числом ); 3 - намоточный барабан; 4 - стальная лента; 5 - направляющие катки
По мере намотки стальной ленты изменяется радиус барабана с рулоном, что влечет изменение момента и соответственно усилия натяжения. При этом требуется обеспечить постоянство линейной скорости V движения полосы материала при текущем значении радиуса рулона .
Для наматывающего устройства момент на валу электродвигателя будет определяться по формуле:
- полезный момент, т.е. момент, необходимый для создания заданного натяжения F;
- момент, необходимый для преодоления потерь в системе “ЭД - Механизм”;
- момент, затрачиваемый на деформацию изгиба полосы при намотке рулона;
Где
- предел текучести материала полосы;
H - Ширина полосы;
h - Толщина полосы.
- динамический момент, обусловленный ускорением намоточного устройства при разгоне, торможении и изменении угловой скорости рулона связанной с изменением его радиуса.[1]
2. Выбор системы электропривода и типоразмера электродвигателя
Основное требование к электроприводу наматывающего устройства - обеспечение постоянства линейной скорости ленты на наматывающем барабане при намотке и ограничение натяжения ленты на определённом уровне.
Выбор системы ЭП.
Нам необходим привод с двузонным регулированием, так как при регулировании во второй зоне магнитный поток обратно пропорционален скорости, поэтому длительно допустимый момент так же будет пропорционален скорости, а длительно допустимая мощность будет постоянна и равно номинальной, с плавными регулированием скорости и протеканием переходных процессов.
К электроприводам с плавным регулированием скорости в первую очередь относятся электроприводы по системам "тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока" (ТП-Д) , "генератор - двигатель постоянного тока" и "преобразователь частоты - асинхронный двигатель" (ПЧ-АД).
Основными типами электродвигателей, которые используются для привода производственных механизмов с регулируемой скоростью движения рабочего органа, являются двигатели постоянного тока и асинхронные с короткозамкнутым или фазным ротором. Наиболее просто требуемые искусственные характеристики получаются у двигателей постоянного тока, поэтому они преимущественно и находят своё применение для регулируемых электроприводов.
Поэтому за основу мы примем электропривод постоянного тока.
Сравним две системы: Г-Д и ТП-д.
Г-Д:
Достоинства: большой диапазон регулирования и плавность регулирования скорости, высока жёсткость и линейность характеристик, возможность получения всех энергетических режимов работы, простота и экономичность управления.
Недостатки: утроенная установленная мощность системы, сравнительно низкий кпд (0,5--0,75 из-за двойного преобразования энергии), инерционность процесса регулирования скорости, шум при работе, высокая стоимость оборудования, повышенные расходы на обслуживание и ремонт за счет материалоёмкости конструкции, сравнительно низкий ресурс по причине наличия движущихся частей.
ТП-Д:
Достоинства: высокая плавность и значительный диапазон регулирования (>10 в замкнутых эп), большая жёсткость получаемых искусственных характеристик, высокий КПД (0.84..0.91), без-шумность в работе, простота в обслуживании и эксплуатации.
Недостатки: Одностороння проводимость, для получения искусственных характеристик во всех 4 квадрантах необходимо использовать реверсивных двухкомплектный преобразователь, напряжение и ток на якоре эд имеет пульсирующий характер, необходимо использовать сглаживающий реактор, низкая помехозащищённость.
Несмотря на отмеченные недостатки, система ТП-Д является высокоэффективным регулируемым ЭП постоянного тока и широко применяется в таких ответственных рабочих машинах, как прокатные станы, наматывающие устройства, металлорежущие станки, экскаваторы. Требованиям, предъявляемым к электроприводу наматывающего устройства, наиболее полно удовлетворяет электропривод постоянного тока с двузонным регулированием так как при регулировании во второй зоне магнитный поток обратно пропорционален скорости, поэтому длительно допустимый момент также будет пропорционален скорости, а длительно допустимая мощность будет постоянна и равна номинальной.
Таблица показателей систем электроприводов:
|
Параметр |
Г-Д |
ТП-Д |
|
|
Диапазон регулирования |
5 |
5 |
|
|
Плавность регулирования скорости |
4 |
5 |
|
|
КПД |
2 |
4 |
|
|
Жёсткость получаемых искусственных хар-ик |
5 |
5 |
|
|
Простота в обслуживании |
5 |
5 |
|
|
Шум при работе |
2 |
5 |
|
|
Стоимость |
2 |
3 |
Выберем систему электропривода типа ТП-Д
- угловая рабочая скорость;
- линейная рабочая скорость.
Для режима заправки полосы на пониженной скорости:
Угловая скорость для режима заправки:
В режиме намотки на первом этапе:
Скорость барабана будет:
Начальная скорость двигателя будет равна:
Где - передаточное число редуктора
Конечная скорость барабана:
Конечная скорость двигателя будет равна:
Тогда диапазон изменения скорости:
Выбор ЭД осуществляем по заданным номинальной мощности и частоте вращения:
- Номинальная мощность ЭД: Pном = 10 кВт;
- Номинальная частота вращения ЭД: nном=1000 об/мин
Выбираем общепромышленный двигатель: 2ПН180LУХЛ4 [2], со следующими параметрами:
- Номинальное напряжение якоря двигателя
- номинальная частота вращения двигателя
% - номинальное КПД двигаля
- активное сопротивление якорной обмотки
- активное сопротивление добавочных полюсов
- активное сопротивление обмоки возбуждения
Сопротивление приведены при температуре 15єС
- индуктивнось якоря
- число пар полюсов двигателя
Производим расчет параметров электродвигателя
где:
- Номинальная мощность (выдаваемая)
- Номинальная мощность (потребляемая)
Рассчитываем номинальный ток двигателя:
Приводим сопротивление якоря к рабочей температуре:
где
- температурный коэфициент для меди
- разница между допустимой температурой обмотки (для класса изоляции В=120 єС ) и температурой, для которой приведено в справочнике.
Номинальная скорость вращения:
Произведение конструктивной постоянной на номинальный магнитный поток:
Исходя из величины диапазона регулирования
Приводим сопротивление возбуждения к рабочей температуре:
Номинальный ток возбуждения:
Где: - номинальное напряжение возбуждения
Коэффициент от до (Вб/А)
3. Выбор силового оборудования и расчет параметров электропривода
Выбираем систему электропривода КТЭ 100/220 - 512 - 16ВД - УХЛ4.[5]
Комплектный тиристорный электропривод, унифицированный до 2000 КВт.
100/220 - номинальный ток/номинальное напряжение электропривода
5 - Однодвигательный электропривод с линейным контактором
1 - Нереверсивный
2- С трансформатором
16 - АРС межклетевого натяжения
В - Наличие устройства питания обмотки возбуждения двигателя
Д - Наличие питания динамического торможения
Электропривод должен обеспечивать требуемый диапазон изменения скорости ЭД.
Трансформатор и преобразователь для питания якорной цепи выбираем исходя из мощности двигателя и необходимого напряжения питания.
Трансформатор выбираем по требуемому номинальному току и номинальному напряжению преобразователя:
- номинальное напряжение преобразователя должно быть больше или равно значению номинального напряжения питания обмотки якоря двигателя;
- ток преобразователя должен быть больше или равен номинальному току якоря двигателя
Выбираем трансформатор типа ТСП 25/0,7 - УХЛ4 [5]со следующими параметрами:
- номинальная мощность
- напряжение сетевой обмотки
Параметры вентильной обмотки:
- номинальное линейное напряжение вторичной обмотки
- номинальный ток вторичной обмотки
Параметры преобразователя:
- номинальное напряжение
- номинальный ток
- напряжение короткого замыкания (о.е.)
- потери короткого замыкания
- ток холостого хода (о.е.)
- мощность холостого хода
Рассчитываем параметры обмотки фазы, приведенные ко вторичной обмотке:
Активное сопротивление:
Реактивное сопротивление и индуктивность:
Где:
- угловая скорость вращения напряжения сети
- частота напряжения сети.
Расчет параметров якорной цепи двигателя производим следующим образом:
Активное сопротивление при мостовой силовой схеме тиристорного преобразователя
Где - коммутационное сопротивление
Где = 6 - количество пульсаций выпрямленного напряжения за период сети для трехфазной мостовой схемы выпрямления
Индуктивность при мостовой силовой схеме тиристорного преобразователя
Постоянная времени якорной цепи
Для тиристорного преобразователя якорного канала определяем постоянные времени и коэффициент передачи
Максимальное значение ЭДС преобразователя
Где схемный коэфициент силовой цепи преобразователя для трехфазной мостовой схемы
Коэффициент передачи преобразователя определяем как
Где амплитуда пилообразного опорного напряжения СИФУ
Коэффициенты влияния сетевого напряжения определяются видом силовой схемы соответствующего преобразователя и имеют значения, обратное схемному коэффициенту
Выбираем начальные значения сигналов задания всех регулируемых переменных:
- скорости
- тока якоря
- ЭДС якоря
- тока возбуждения
Коэффициенты передачи обратных связей определяются выбранными значениями сигналов задания и номинальными значениями соответствующих переменных:
Коэффициенты передачи в канале обратной связи по ЭДС определяются следующим образом:
Размещено на http://www.allbest.ru/
4. Разработка структуры САУ
Так как в статическом режиме скорость и натяжение постоянны, то мощность двигателя необходимая для намотки остается постоянной независимо от радиуса катушки. Хотя угловая скорость двигателя уменьшается с увеличением радиуса намотки, а момент увеличивается.
Исходя из того, что нами выбрана система ТП - Д, выбираем САУ с поддержанием тока якоря.
При стабилизации тока якоря и регулировании потока пропорционально радиусу рулона, САУ включает в себя контур с воздействием на поток ЭД. [3]
Для синтеза регуляторов будем использовать структурную схему, представленную на рис. 2.
5. Синтез систем автоматического регулирования и выбор элементов контуров регулирования
5.1 Синтез контуров регулирования
5.1.1 Контур тока якор
Рис.3. Структурная схема контура тока якоря
После сворачивания обратной связи по ЭДС якоря получим передаточную функцию объекта регулирования контура тока:
где плотность стали
Малую постоянную времени контура определим как:
Где постоянная времени датчика тока
Так как , внутренней обратной связью по ЭДС можно пренебречь тогда:
ПИ регулятор с передаточной функцией
5.1.2 Контур скорости
Рис.4. Структурная схема контура скорости
Передаточная функция объекта регулирования контура скорости
Тогда для настройки на необходим П - регулятор
Малая постоянная времени контура скорости определяется постоянной времени контура тока и постоянной времени датчика скорости
Где постоянная времени датчика скорости
5.1.3 Контур тока возбуждения
Рис.5. Структурная схема тока возбуждения
Объектом регулирования данного контура является комбинация апериодического и форсирующего звеньев:
Для компенсации форсирующего звена в канале обратной связи устанавливается апериодический фильтр с параметрами
- Постоянная времени возбуждения (определенная по зависимости от мощности двигателя)
Тогда произведение передаточных функций объекта и фильтров
Для настройки на ТО необходим ПИ - регулятор:
С параметрами
Где - количество пульсаций выпрямленного напряжения за период сети для нулевой схемы выпрямления
Где
Где
- номинальное линейное напряжения
схемный коэффициент силовой цепи для однофазной мостовой схемы
5.1.4 Контур ЭДС
Рис.6. Структурная схема контура ЭДС
Передаточная функция объекта регулирования
Но в передаточной функции замкнутого контура тока возбуждения имеется форсируемее звено с постоянной времени . В результате в прямом канале получаем:
Т.о. объект регулирования - без инерционный и для настройки на ТО необходим И - регулятор. При этом малая постоянная времени контура будет равна:
(с)
Передаточная функция регулятора
5.1.5 Контур натяжения
Рис.7. Структурная схема контура натяжения
Коэффициент обратной связи по натяжению:
Предаточная функция контура натяжения с учетом эквивалентной передаточной функции контура тока имеет вид:
Тогда передаточная функция регулятора будет иметь вид:
5.2 Расчет электрических параметров регуляторов
5.2.1 Контур тока якоря
Рис.8. Элекрическая схема регулятора тока
[6], тогда
Принимаем: .
Тогда
5.2.2 Контур скорости
Рис.9 Элекрическая схема регулятора тока
Принимаем: , тогда
Принимаем: .[6]
5.2.3 Контур тока возбуждения
Рис.10. Элекрическая схема регулятора тока
Принимаем: , тогда
Принимаем: .
Тогда
.
5.2.4 Контур ЭДС
Передаточная функция регулятора
Рис.11. Элекрическая схема регулятора ЭДС
Принимаем: , тогда
Принимаем: .
5.2.5 Контур натяжения
Рис.12. Элекрическая схема регулятора натяжения
Принимаем: , тогда
Принимаем: .
6. Анализ динамики электропривода
электропривод автоматический наматывающий
Анализы динамики системы автоматического управления электроприводом наматывающего устройства заключается в расчетах переходных процессов основных динамических показателей системы.
Рис.13. Фрагмент документа MatLab: структурная схема САУ приводом наматывающего устройства.
Расчет переходных процессов произведем в программе Matlab в приложении Simulink.
Построим переходные процессы для натяжения и КФ и скорости вращения двигателя, а так же радиуса и момента инерции катушки, линейной скорости намотки и тока якоря электродвигателя.
Рис.14. Переходной процесс потока, скорости ЭД и натяжения
Рис.15. Переходной процесс момента инерции, радиуса рулона, линейной скорости намотки и тока якоря ЭД.
Рис 16. Увеличенный переходной процесс начала и конца намотки рассмотренных величин.
Рис 17. Сигнал задания контура ЭДС
Рис 18. Сигнал задания линейной скорости
Рис 19. Вспомогательные сигналы задания
7. Синтез и расчет узлов ограничений и защит
7.1 Расчет время - токовой защиты
Сигнал датчика тока S402A выпрямленного тока КТЭ используется для защиты по каналу аварийной перегрузки тиристоров по среднеквадратичному току, собранном на ячейке защиты от перегруза №314. При достижении током КТЭ значения 1.75·Iн с выдержкой времени (70±10)с происходит аварийное отключение КТЭ по каналу средне квадратичной токовой перегрузки тиристоров. Выдержка времени регулируется с помощью переменного резистора R49 ячейки №314. При увеличении токовой перегрузки время выдержки уменьшается, с тем, чтобы не превысить допустимую перегрузку тиристоров по среднеквадратичному току.
Расчет время - токовой защиты сводится к расчету и выбору элементов интегратора А8 (R, C). Суть расчета в том, чтобы определить время нарастания выходного сигнала интегратора до момента срабатывания порогового устройства, которое отключает КТЭ.
Рекомендуемое время срабатывания защиты при токе 1,75·Iн составляет (70±10) с.
Примем, что при токе равном 1,75·Iн входное напряжение интегратора равно 5 В, а напряжение срабатывания порогового устройства равно 10 В. Тогда постоянная времени интегратора будет равна:
Принимаем: С = 13 мкФ, тогда R = T/С = 35/13·10-6 = 2,69·106 Ом.
Принимаем: R = 2,7 МОм.
На ячейке также собран канал защиты при недопустимом времени стоянки двигателя под током. Время стоянки двигателя под током регулируется с помощью переменного резистора R34 и предварительно выставляется (35±10) с
Рис.14. Время - токовоя защита
7.2 Максимально-токовая защита
Настройку уставки защиты от превышения мгновенного значения максимально допустимого для данного КТЭ тока датчика тока S402 (A22) необходимо производить при отключенных герконовых датчиках и настроеной ячейки №314 вращением шлица переменного резистора R18 ячейки №501В кассеты управления. В процессе настройки необходимо плавное увеличение тока до момента срабатываения порогового устройства. Срабатываение защиты должно произойти при токе КТЭ 2.65·Iн.
Рис.15. Максимально-токовая защита.
В качестве блока ограничений сигналов на выходе регулятора ЭДС (на уровне ±5 В, что соответствует номинальной току возбуждения) используем следующую схему:
Рис.16. Блок ограничений.
8. Синтез системы включения электропривода и выбор аппаратов
Так как при проектировании САУ за основу брался электропривод КТЭ, то все аппараты управления и защиты берем аналогично техническому описанию данного электропривода.
Для возможности отключения электропривода от питающего напряжения выбираем вводной автоматический выключатель, который также служит для защиты электропривода от тепловых перегрузок и токов короткого замыкания.
автоматический выключатель выбираем из условий:
-номинальный ток автомата должен быть больше рабочего тока первичной обмотки трансформатора: I1 = 21.63 А;
-номинальное напряжение автомата должно быть больше или равно сетевому напряжения Uс = 380 B;
-число полюсов было равно числу фаз питающей сети;
-номинальный ток теплового расцепителя должен быть больше
рабочего тока A;
-номинальный ток электромагнитного расцепителя должен быть
больше рабочего тока А;
Выписываем параметры выбранного автоматического выключателя в таблицу 1.
Таблица 1
|
Тип автоматического выключателя |
АЕ2046 |
|
|
Номинальный ток автомата, А. |
40 |
|
|
Номинальное напряжение, В. |
380 |
|
|
Число полюсов. |
3 |
|
|
Номинальный ток теплового расцепителя, А. |
40 |
|
|
Номинальный ток электромагнитного расцепителя, А |
40 |
|
|
ток срабатывания электромагнитного расцепителя,А. |
12 |
Спецификация электропривода спроектированного в данном курсовом проекте аналогична спецификации электропривода КТЭ, за исключением элементов спроектированных в данном курсовом проекте.
Заключение
Спроектированный электропривод наматывающего устройства удовлетворяет требованиям, которые к нему предъявлялись. Электропривод имеет хорошие динамические показатели, что было выявлено при анализе динамики. Так же стоит отметить, что режимы работы системы автоматического управления вполне удовлетворительные, так как исследования процесса намотки показало, что система управления обеспечивает постоянное усилие натяжения и постоянную скорость намотки.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Литература
1. Чиликин М. Г., Ключев В. И., Сандлер А.С. «Теория автоматизированного электропривода»- М.: Энергия, 1979.
2. Справочник по электрическим машинам : В 2 т. Под редакцией Копылова И.П. и Копылова Б.К. - М.: Энергоиздат, 1988.
3. «Автоматическое регулирование» под редакцией Иващенко Н.Н.-М.: Машиностроение, 1973.
4. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. «Общий курс электропривода» - М.: Энергоиздат, 1981.
5. Комплектный тиристорный электропривод. Под ред. В.М. Перельмутера. Энергоиздат. 1988.
6. Акинов Н.Н., Ващуков Е.П.: Резисторы, конденсаторы, трансфораторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Справочник - Мн.: Беларусь, 1994.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Выбор силовой части электропривода. Оптимизация контуров регулирования: напряжения, тока и скорости. Статические характеристики замкнутой системы. Расчет динамики электропривода. Расчет его статических параметров. Двигатель и его паспортные данные.
курсовая работа [357,2 K], добавлен 15.11.2013Требования, предъявляемые к системе электропривода УЭЦН. Качественный выбор электрооборудования для насосной станции. Расчет мощности электродвигателя и выбор системы электропривода. Анализ динамических процессов в замкнутой системе электропривода.
курсовая работа [369,8 K], добавлен 03.05.2015Выбор и проверка электродвигателя, расчет его мощности. Выбор основных узлов силовой части электропривода грузового лифта: тиристорного преобразователя, силового трансформатора, сглаживающего фильтра. Синтез регуляторов, системы регулирования тока якоря.
курсовая работа [3,5 M], добавлен 02.03.2014Расчет циклограмм скоростей, радиуса тамбура картона, угловой скорости, нагрузочной диаграммы механизма. Предварительный выбор двигателя. Синтез и моделирование системы автоматического регулирования электропривода раската продольно-резательного станка.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 16.10.2013Проектирование автоматизированного электропривода насосной установки системы горячего водоснабжения. Анализ технологического процесса и работы оператора. Расчетная схема механической части электропривода. Выбор систем электропривода и автоматизации.
дипломная работа [1,4 M], добавлен 16.05.2012Выбор основного силового оборудования системы электропривода. Технологии процесса и требования к электроприводу магистральных насосов. Расчет мощности и выбор системы электропривода. Анализ динамических процессов разомкнутой системы электропривода.
дипломная работа [3,4 M], добавлен 12.11.2012Проектирование электропривода механизма основного и резервного центробежных водяных насосов. Основные типы регулирования производительности насосов и системы электропривода. Технические характеристики датчика расхода воды. Выбор преобразователя частоты.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 18.12.2014Разработка функциональной и принципиальной схем системы управления электропривода. Выбор типа управляющего устройства, источников питания, силовых ключей, коммутационной аппаратуры, элементов управления. Разработка программы управляющего устройства.
курсовая работа [498,3 K], добавлен 12.03.2013Методы оценки электрической аппаратуры управления в схемах электропривода постоянного и переменного тока. Выбор аппаратов для системы ТП-Д. Расчет оборудования в релейно-контакторной схеме управления электроприводом двигателя с короткозамкнутым ротором.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 13.12.2014Техническая характеристика, устройство и режим работы электропривода мостового электрического крана. Выбор системы электропривода, метода регулирования скорости и торможения. Расчет мощности, выбор типа электродвигателя и его техническая проверка.
курсовая работа [117,9 K], добавлен 25.11.2014
