Электрооборудование вращающегося распределителя шихты доменной печи

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

1. История электрического привода

1.1 История развития металлургии

2. Общая часть

2.1 Описание технологического процесса доменного цеха

2.2 Описание работы механизма. Кинематическая схема

3. Специальная часть

3.1 Обоснование и выбор рода тока

3.2 Расчет и построение скоростной нагрузочной диаграмм

3.3 Расчет мощности и выбор типа электродвигателя

3.4 Расчет контуров регулирования

3.5 Расчет и выбор аппаратуры управления

3.6 Обоснование и выбор программируемого контроллера

3.7 Описание работы программируемого контроллера

3.8 Описание работы принципиальной схемы

3.9 Расчет и выбор кабельной продукции

3.10 Описание мероприятий по технике безопасности при обслуживании и ремонте электропривода

электрический ток кабельный контроллер



1. История электрического привода

Начиная с опытов Ампера, стала известна возможность превращения электрической энергии в механическую. Первый такой промышленной установкой был двигатель Б.С. Якоби. С этого времени начинаются работы по применению электричества и электрических двигателей, как источников механической энергии, т.е. в качестве электропривода.

На первых этапах электрический привод был по преимуществу групповым, т.е. имелся один двигатель, приводивший в движение группу механизмов через разветвленную систему механических передач, сцепных муфт и т.п. При групповом электроприводе общий двигатель вращался с постоянной скоростью, а потребное для той или иной машины регулирование скорости достигалось с помощью коробок передач, наборов шкивов в ременных передачах и других механических устройств.

В дальнейшем стало ясно, что более просто и экономично передавать к каждой машине не механическую, а электрическую энергию, т.е. снабдить каждую машину или механизм индивидуальным двигателем; стали возникать и распространяться многодвигательные машины и агрегаты, в которых каждый привод выполняет свои специфические функции, приводя в движение определенную часть машины. Поскольку эти части используются в едином технологическом процессе (приводы подъема ковша и напора в одноковшовом экскаваторе, приводы перемещения рабочего органа по различным координатным осям в металлообрабатывающих станках, приводы в бумажных машинах, станах непрерывной прокатки и т.п.), то возникает понятие «взаимосвязанных электроприводов» и соответствующие теоретические положения для этих электроприводов.

Первую попытку применения электрических двигателей для рельсового транспорта сделал Ф.А. Пироцкий. Электрические трамваи в Европе появились в 1881 г, а в России в 1892 г. в Киеве между Подолом и Крещатиком (1,5 км). В Петербурге, несмотря на сопротивление конкурентов - владельцев конки, фирма инженера М.М. Подобедова построила первые линии в 1895-1902 гг. Линии прокладывались зимой по льду Невы, так как владельцы конки имели право организации транспорта на всех улицах города. В 1902 г. линии конок перешли в руки городских властей и началось создание единой трамвайной сети. В 1907 г. в Петербурге началось регулярное движение трамваев. Первая линия была проложена от Адмиралтейской площади на Васильевский остров. Вагоновожатым первого вагона при открытии линии 16 сентября 1902 г. был инженер Г.О. Графтио. В 1904 г. в Москве конное движение было заменено трамвайным, а к 1914 г. в Москве было уже 129 км трамвайных линий.

В1890 г. переведен на электрическую тягу Лондонский метрополитен. Начинаются попытки электрификации сначала пригородных, а затем и магистральных железных дорог. Для питания тяговых сетей применялись мотор-генераторные установки; широкое применение получили также одноякорные преобразователи, которые затем были вытеснены статическими выпрямителями: сначала ртутными, а затем полупроводниковыми.

В 1903-1904 гг. появилась теплоэлектрическая тяга для привода нефтеналивных барж «Вандал» и «Сармат», построенных Сормовским заводом.

В начале ХХ века в области применения регулируемых электроприводов постоянного тока начинает применяться электропривод с управляемым преобразователем переменного тока в постоянный. На первых порах этот преобразователь был электромеханическим: первичный двигатель переменного тока (трехфазный асинхронный или синхронный) вращал генератор постоянного тока. Вместе обе машины представляли собою преобразовательный агрегат (умформер). Системе присваивается название системы Леонарда или Вард-Леонарда по имени американского инженера, имевшего имя Ward Leonard. Эта система по своим регулировочным качествам и до сих пор является одной из лучших, благодаря чему такие электроприводы применяются до настоящего времени. В нашей технической литературе эта система получила название системы «генератор-двигатель» или сокращенно Г-Д.

Увеличение нагрузки в приводах системы Г-Д в ряде случаев создавало недопустимые перегрузки первичного двигателя. Для сглаживания нагрузки первичного двигателя на валу преобразовательного агрегата устанавливался маховик (система Леонарда - Ильгнера). В настоящее время такие электроприводы не применяются, так как мощность сетей обеспечивает значительные перегрузки; к тому же для снижения пиковых нагрузок можно использовать соответствующие законы регулирования скорости (например, изменение скорости при разгоне по параболическому закону).

Наличие в электроприводе преобразовательного агрегата усложняет установку, делает ее дороже. Промежуточные преобразования энергии сопровождаются потерями, что приводит к снижению КПД установки. Поэтому желание использовать регулируемые электроприводы переменного тока всегда было одной из тенденций развития электропривода. Возможность реостатного регулирования скорости асинхронных фазных двигателей была показана еще М.О. Доливо-Добровольским, и этот способ применяется до сих пор, хотя имеет очень низкую экономичность.

В 1893 г. Делендер предложил регулирование скорости трехфазных машин за счет изменения числа пар полюсов, что дает только ступенчатое регулирование скорости.

В 1904 г. Кремер создал каскадную схему управления асинхронным фазным двигателем с применением машины постоянного тока и одноякорного преобразователя, что давало возможность регулирования скорости вниз примерно до 40 % от синхронной. В 1905 г. Шербиус дополнил этот каскад двумя разновидностями: каскадом с коллекторной машиной (машина Шербиуса) и каскадом с вынесенным преобразователем. Каскад Кремера и каскад Шербиуса с вынесенным преобразователем применяются и сейчас, однако, коллекторные одноякорные преобразователи в них заменены полупроводниковыми выпрямителями. Каскадные схемы по ряду показателей уступали электроприводу по системе Г-Д. Поэтому длительное время практика применения электропривода была следующей:

· для механизмов, не требующих регулирования скорости, или там, где регулирование достигалось без изменения скорости двигателя (вариаторы, коробки передач, гидровставки и др.), применялись двигатели переменного тока: асинхронные короткозамкнутые, асинхронные с фазным ротором в случаях, когда надо повысить плавность пуска или ограничить пусковой ток, а также синхронные двигатели для механизмов с редкими пусками;

· для механизмов, требующих регулирования скорости в широком диапазоне с высокой плавностью и требованиями к показателям качества регулирования (быстродействие, перерегулирование, статизм), применялась система Г-Д;

· в случаях, когда высокое качество не требовалось или допускалось ступенчатое регулирование, применялось реостатное регулирование асинхронных фазных двигателей или переключение числа пар полюсов у асинхронных короткозамкнутых двигателей;

· область применения каскадов - в основном для регулируемых электроприводов турбомеханизмов (центробежные насосы и вентиляторы, осевые вентиляторы, турбокомпрессоры).

1.1 История развития металлургии

Металлургическая индустрия начала развиваться в древности, приблизительно в VI тысячелетии до н.э. Тогда же человечеству уже были известны серебро и золото, медь и железо. Посетив форум металлургов, можно отыскать нужные материалы о разных металлах, а эта статья говорит о развитии металлургии.

Золото добывали из россыпей в виде песка и самородков методом промывки. А добыча серебра производилась из галенита. Умение очищать золото от примесей появилось еще до н. э. В 13 - 14 столетиях ученые выяснили влияние азотной кислоты на разделение золота и серебра и начали применять этот способ.

Изначально обработку меди и железа создавали в холодном состоянии. Ясно, что такая обработка была совсем трудоемкой и тяжелой. Потом, с развитием ковки бронзовые изделия взяли более широкое распространение.

Массовое производство меди началось в девятнадцатом веке с изобретением конвертирования штейна.

Во 2 - ом тысячелетии до н. э. была обширно распространена латунь (слав меди с оловом). Превосходившая по качеству медь, она была устойчива к коррозии, имела громадную твердость. Эта эра и взяла название "Бронзовый век".

Энергично развивалась металлоторговля. Современная металлургия получает олово переработкой руды по не простым комплексным схемам.

Спустя какое - то время люди научились получать из руды железо. Сперва применяли сыродутные горны. Это было малопроизводительно, исходя из этого мастера работали над усовершенствованием процесса.

Так появился новый способ: обогащение железа углеродом с последующей закалкой.

Вот так получилась сталь. В 1 - ом тысячелетии до н.э. в Европе и Азии железо было наиболее распространенным материалом.

Неспешно улучшались процессы и совершенствовалось оборудование. В середине 14 века появились доменные печи. Усовершенствование этих печей стало причиной более эргономичному получению чугуна.

В восемнадцатом веке в Англии появляется тигельная плавка, уже давно узнаваемая на Востоке.

Это был самый первый метод производства литой стали. Тем временем быстро происходило развитие процессов, связанных с получением чугуна: бессемеровский, мартеновский и томасовский процессы совершили практически революцию в металлургии.

В течение 19 - 20 столетий происходило не менее бурное усовершенствование процессов производства стали методом разработки нового оборудования, улучшения технологий и автоматизации производства. Благодаря электропечам стали производить более качественную легированную сталь, а в дуговых вакуумных и плазменных печах - применять переплавку стали.

Современный мир не может обходиться без металлов. Металлопрокат используются в строительных работах, транспорте, разных устройствах, сельском хозяйстве, медицине и т.д. Металлургия семимильными шагами движется вперед, используя инновационные способы и технологии.

Сейчас можно взять фактически каждый элемент периодической системы Менделеева, не считая галоидов и газов.



2. Общая часть

2.1 Описание технологического процесса доменного цеха

Чугун выплавляется из железных руд в специальных печах, называемых доменными. Отсюда процесс получения чугуна из железных руд называется доменным процессом. Доменная печь имеет большое количество специальных устройств и механизмов, обеспечивающих беспрерывность процесса. Большинство механизмов работает автоматически.

Рис.1. Устройство доменной печи: 1-скип; 2-засыпной аппарат; 3-доменная печь; 4-фурменные отверстия; 5- чугунная летка; шлаковая летка; 7-воздухонагреватели; 8-газоочистительные устройства; 9-дымовая труба

Смесь из руды, кокса и флюса подготовляется в определенной пропорции для загрузки в доменную печь. Такая смесь называется шихтой. Специальный подъемник -- скип 1 перемещающийся по наклонным путям, доставляет шихту к верхней части доменной печи, откуда она через засыпной аппарат 2 поступает в печь 3. Для поддержания интенсивного горения загружаемого кокса необходимо большое количество воздуха. Воздух подается в печь через специальные отверстия 4 в нижней части печи, которые называются фурменными отверстиями. Чтобы воздух пробил высокий столб шихты и проник во все части печи, а также чтобы имелось достаточное количество кислорода для сгорания всего топлива, воздух вдувают в печь под давлением в 1--2. Воздух подогревается до температуры 600--800°, так как вдувание большого количества холодного воздуха снижает температуру внутри печи, в результате чего процесс плавки руды замедляется. Подогрев воздуха осуществляется в воздухонагревателях 7, которые строятся рядом с доменной печью. Воздухонагреватели отапливаются доменным (колошниковым) газом, получающимся при выплавке чугуна. Доменный газ предварительно очищается от пыли в специальных газоочистительных устройствах 8. Продукты сгорания из воздухонагревателей удаляются через дымовую трубу 9. Полученный в печи жидкий чугун опускается в нижнюю ее часть, откуда периодически выпускается через отверстие 5, называемое чугунной леткой. В специальных ковшах большой емкости чугун от доменной печи отвозится в сталеплавильные цехи для переработки в сталь или к разливочной машине для получения чугунных чушек. Пустая порода, флюсы и зола топлива образуют в печи жидкий шлак, который имеет меньший удельный вес, чем чугун, и поэтому располагается над жидким чугуном.

Шлак выпускается из печи через шлаковую летку 6 и направляется для переработки и дальнейшего использования в качестве строительного материала или в шлаковый отвал. Доменная печь работает беспрерывно по принципу противотока: исходные материалы загружаются сверху, постепенно опускаются вниз, превращаясь в чугун и шлак, а газы, нагревшиеся в нижней зоне печи, поднимаются кверху навстречу исходным материалам. Печь имеет наружную стальную оболочку, которая называется кожухом, и внутреннюю кладку, или футеровку. Футеровка должна устойчиво сопротивляться износу от трения беспрерывно опускающихся столбом исходных материалов, выдерживать действие высоких температур, не расплавляясь и не давая деформаций. Поэтому для футеровки применяется высококачественный огнеупорный (шамотный) кирпич.

2.2 Описание работы механизма. Кинематическая схема

Вращающийся распределитель доменной печи служит для равномерной загрузки материалов в печь. Равномерная загрузка печи обеспечивается поворотом загрузочного устройства и высыпанием шихты на различные участки пода печи. Распределитель может повернуть загрузочное устройство вокруг вертикальной оси домны на любой угол, кратный 60⁰.

В начале цикла работы распределитель находится в положении, соответствующим 0^0.Здесь он заполняется шихтой с помощью скипа. После этого он поворачивается и на одной станции разгрузки разгружается. Вернувшись потом в положение 0⁰, распределитель вновь загружается и движется к новой станции. Обеспечение точного останова распределителя при подходе к станциям осуществляется переводом его на пониженную скорость.

По условиям технологического процесса продолжительность поворотов и порядок движений к станциям определяется по таблице 1.1

Таблица 1. Продолжительность поворотов и порядок движений к станциям



Рис. 2. Кинематическая схема



3. Специальная часть

3.1 Обоснование и выбор рода тока

Рис. 3.График сравнения ДПТ и АД

В отличии от стандартного АД с фиксированной базовой (номинальной) частотой вращения (синхронные скорости 3000/1500/1000/…об/мин на 50 Гц), двигатель постоянного тока может быть спроектирован с базовой частотой вращения в диапазоне примерно от 300 до 4000 об/мин для каждой рабочей точки.

В зависимости от типоразмера ДПТ (как скомпенсированные, так и не скомпенсированные) могут иметь область работы с ослаблением поля 1:3 или 1:5.

Ограничение мощности связано с max моментом АД, уменьшающимся обратно квадрату скорости(1/n2).

Ограничение мощности связано с уменьшением коммутационной способности коллекторного двигателя постоянного тока.

Сравнение рабочих характеристик двигателей показывает, что ДПТ выгоднее АД при продолжительной работе на низких скоростях и для широкого диапазона скоростей при постоянной мощности.

ДПТ превосходит АД по таким критериям, как:

· Типоразмеры, моменты инерции и время разгона

· Широкий диапазон скоростей при постоянной мощности (работа с ослаблением поля или диапазон регулировки возбуждения)

· Обслуживание двигателя

· Степень защиты двигателя

· Масса и место установки двигателя

· Коммутация и преобразование электрической энергии

· Влияние на напряжение сети

· Реактивная мощность

· Модернизация существующих приводов постоянного тока

· Сравнение цен приводных систем постоянного и переменного тока Выбираю постоянный ток, по причинам:

· простота устройства и управления;

· практически линейные механическая и регулировочная характеристики двигателя;

· легко регулировать частоту вращения;

· хорошие пусковые свойства (большой пусковой момент);

· так как ДПТ являются обратимыми машинами, появляется возможность использования их как в двигательном, так и в генераторном режимах.

3.2 Расчет и построение скоростной и нагрузочной диаграмм

Принимаем пусковой момент Мп=2Мн, а тормозной момент - Мт=Мп.

Номинальный момент двигателя:

Н*м

Пусковой момент и тормозной:

М_п=М_т=2*М_н=2*122,9=245,8 Н*м



Передаточное отношение редуктора:

Определяем момент инерции, приведенный к валу двигателя:

J_прив=J_дв+0,2*J_дв+J_мех/i²_ред

где Jдв - момент инерции двигателя, кг*м²

Jмех - момент инерции механизма, ;кг*м²

- передаточное число редуктора.

Для разгруженного распределителя:

J_прив=1,4+0,2*1,4+1750/465²=1,69 кг*м²

для загруженного распределителя:

J_прив=1,4+0,2*1,4+11750/465²=1,73 кг*м²

Определяем длительность переходных процессов.

Время пуска:

Для разгруженного распределителя: с

Для загруженного распределителя: с

Время снижения скорости:



Для разгруженного распределителя:

с

Для загруженного распределителя:

с

где принимаем предварительно =.

Время торможения с пониженной скорости до остановки:

Для разгруженного распределителя:

с

Для загруженного распределителя:

с

Мп=245,8 Н*м tп=1,1 с

Мс=122,9 Н*м tпон=1 с

Мт=245,8 Н*м tт=0,05 с

Рис. 4. Скоростная и нагрузочная диаграмма



3.3 Расчет мощности и выбор типа электродвигателя

Выбор мощности двигателя основан на расчете усилий.

Определяем усилие, необходимое для вращения распределителя:

F=m*g*µ

где m - вращающаяся масса, кг; µ - коэффициент трения в роликах, на которых вращается распределитель.

Для разгруженного распределителя:

H

для загруженного распределителя:

H

Определяем вращающийся момент:

M_мех=F*R_зк

где R_зк - радиус зубчатого колеса, м

Для разгруженного распределителя:

H*м

для загруженного распределителя:

Н*м

Угловая скорость механизма поворота распределителя определяется как:

где ц- угол поворота, рад;

t - время поворота на заданный угол, с.

рад/с

Для остальных углов угловая скорость механизма будет такая же, как и для угла 60⁰.

Мощность, необходимая для вращения распределителя, определяется как:

Р_мех=М_мех*щ_мех

для разгруженного распределителя:

Вт

для загруженного распределителя:

Вт

Определяем статическую мощность на валу двигателя:

где з_пер - КПД передачи, зависящий от загрузки механизма.

Для разгруженного распределителя:

Вт

Для загруженного распределителя:

Вт

Определяем номинальную скорость электродвигателя:

щ_н=щ_мех*i

щ_н=0,21*465=97,65 рад/с

Определяем статические моменты двигателя:



Для разгруженного распределителя:

Н*м

Для загруженного распределителя:

Н*м

Определяем расчётную мощность:

Р_расч=(1,1ч1,3)*М_с*щ_н

где коэффициент (1,1х1,3) учитывает дополнительный нагрев двигателя за время переходных процессов, который не учтён при предварительном выборе мощности двигателя.

Р_расч=(1,1ч1,3)*96,8*97,65=10158ч11906 Вт

По каталогу выбираю двигатель так, чтобы Р_н?Р_расч

Тип Д-31;

Р=12 кВт;

U_н=220 В;

n_н=1280 об/мин;

I_я=65 А;

J_дв=1,4 кг*м²

3.4 Расчет контуров регулирования

Выбор тиристорного преобразователя

Тиристорный преобразователь постоянного тока предназначен для работы электроприводов постоянного тока. Существуют две модификации ТППТ: двух квадрантный не реверсивный и четырех квадрантный реверсивный с функцией рекуперации, которая обеспечивает передачу энергии обратно в сеть при работе электропривода в генераторном режиме. Применение в преобразователе 32-х разрядного процессора дает возможность точно регулировать величины угловой скорости и крутящего момента, а также обеспечивает устойчивую работу с повторяемыми характеристиками. Области применения: Металлургия: прокатные станы, линии резки, отжига и другие технологические линии; Бумагоделательное производство: бумагоделательные машины, продольно-резательные станки; Текстильное производство: технологические линии; Пищевая промышленность: экструдеры, дозаторы.

Выбор сглаживающего реактора

Сглаживающий реактор включается в цепь выпрямленного тока преобразователя с целью уменьшения переменной составляющей тока (пульсаций). Пульсации должны быть ограничены на уровне допустимых для выбранного двигателя.

ЭДС преобразователя при угле управления б=0: ,

Ed0=Kв*U_2N

где К=1,35 трехфазная мостовая схема

Ed0=1,35*220=297

Минимальная эквивалентная индуктивность главной цепи по условию ограничения пульсаций выпрямленного тока: ,

L_J(min)==0,06

где коэффициент пульсаций Кu=0,13- трехфазная мостовая схема пульсность преобразователя p=6- трехфазная мостовая схема

Расчетная индуктивность сглаживающего реактора:



Lc=L_J(min)-2L_T-Lя

Lc=0,06-2*0.00032-0.014=0,045

значит требуется сглаживающий реактор СРОСЗ-800МУХЛ4

Таблица 2. Выбор силового трансформатора

Характеристики	Трансформатор ТСП-16/0,7-УХЛ4;
Номинальная мощность, кВ*А	12
Номинальное напряжение сетевой обмотки, В	220
Номинальный ток, А	100
Напряжение КЗ, %	4,7
Потери холостого хода, Вт	120
Потери короткого замыкания, Вт	550
Ток холостого хода, %	8

Расчет параметров силовой части электропривода в абсолютных единицах

Рис. 5. Схема замещения главной цепи

где Rг -- фиктивное сопротивление преобразователя, обусловленное коммутацией тиристоров, Ом



Rэ = Rя + Rс + Rг + 2Rт ,

где Rэ -- эквивалентное сопротивление главной цепи, Ом

Rэ = 0,65 + 0 + 0,5 +2 * 0,0005 =1,15 Ом

Lэ = Lя + Lс + 2Lт ,

где Lэ -- эквивалентная индуктивность главной цепи, Гн

Lэ = 0,014 + 0 + 2 * 0,0016 = 0,017 Гн

,

где Тэ -- электромагнитная постоянная времени главной цепи, cек.

Рис.6. Эквивалентная схема замещения главной цепи

сек,

где Тя -- электромагнитная постоянная времени цепи якоря, сек

сек,



где Кп -- коэффициент передачи преобразователя;

Uy(max) - напряжение на входе системы импульсно-фазного управления тиристорного преобразователя (напряжение управления), при котором угол управления равен нулю и ЭДС преобразователя в режиме непрерывного тока максимальна, Uy(max) = 10 В

Выбор базисных величин системы относительных единиц

Принимаем следующие основные базисные величины силовой части электропривода:

Базисный ток: Iб = Iя_N = 390 А,

Принимаем следующие основные базисные ток и напряжения регулирующей части электропривода:

Базисное напряжение системы регулирования:

Uбр = 10 В

Базисный ток системы регулирования:

Iбр = 1 мА.

Ом,

где Rб -- базисное сопротивление для силовых цепей, Ом

кОм,

где R_БР -- базисное сопротивление для системы регулирования, Ом

сек,



где Т_J -- механическая постоянная времени электропривода, сек..

Рис. 7. Структурная схема силовой части электропривода

Расчет параметров силовой части электропривода в относительных единицах

где k_П -- коэффициент передачи преобразователя,

Ом,

где rэ -- эквивалентное сопротивление главной цепи, Ом

Ом,

где r_Я -- сопротивление цепи якоря электродвигателя, Ом

Определяем магнитный поток электродвигателя:



Расчет коэффициентов передачи датчиков

Рассчитываем коэффициенты передачи датчиков в абсолютных единицах:

М=С*Фn*I

С*Фn=М/In=1307/390=3,35

Mmax=2,5*1307=3,268

А,

где Iя(max) -- максимальный ток якоря, А

где К_ДТ -- коэффициент передачи датчика тока

где К_ДН -- коэффициент передачи датчика напряжения

Рассчитываем коэффициенты передачи датчиков в относительных единицах:



где k_ДТ-- коэффициент передачи датчика тока

где k_ДН-- коэффициент передачи датчика напряжения

где k_ДС-- коэффициент передачи датчика скорости.

Разработка системы управления электроприводом.

Выбор типа системы управления электроприводом.

Рассмотрим функциональную схему системы управления электроприводом. Система управления электроприводом представляет собой двухконтурную систему автоматического регулирования (САР) скорости. Внутренним контуром системы является контур регулирования тока якоря, внешним и главным контуром - контур регулирования скорости.

Для проектируемого электропривода выбираем однократную систему регулирования скорости. Однократная САР скорости по сравнению с двукратной не обладает астатизмом по возмущающему воздействию (моменту сопротивления), однако для проектируемой системы обеспечение такого астатизма не требуется. Однократная САР скорости обладает лучшими динамическими свойствами по сравнению с двукратной САР. Для контуров регулирования тока якоря и скорости применяется настройка на модульный оптимум. Данную настройку обеспечивают пропорционально-интегральный регулятор тока (РТ) и пропорциональный регулятор скорости (РС). Плавное ускорение и замедление привода обеспечиваются с помощью задатчика интенсивности (ЗИ). Для разгона или торможения привода задатчик интенсивности формирует линейно изменяющийся во времени сигнал задания на скорость.

Сигналы обратных связей поступают в систему регулирования от датчиков тока якоря (ДТ), напряжения якоря (ДН) и скорости (ДС). Датчики состоят из измерительного элемента и устройства согласования. Измерительным элементом для датчика тока якоря является шунт в цепи якоря Rш , для датчика напряжения - делитель напряжения Rд, для датчика скорости - тахогенератор (ТГ). Устройство согласования обеспечивает необходимый коэффициент передачи датчика и гальваническую развязку силовых цепей от цепей управления. Косвенный датчик ЭДС (ДЭ) вычисляет ЭДС якоря по сигналам датчиков тока и напряжения.

Сигнал ЭДС через звено компенсации (ЗК) подается на вход регулятора тока, что требуется для компенсации отрицательного влияния ЭДС якоря на процессы в контуре тока.

Некомпенсируемая постоянная времени Тм закладывается в фильтрах Ф1 и Ф2. Эти фильтры обеспечивают защиту объекта управления от высокочастотных помех. Величина Тм , принятая при проектировании системы, определяет быстродействие контура регулирования тока и всей системы в целом.

Управляющим воздействием на объект управления (силовую часть электропривода) является напряжение управления Uy. Напряжение управления подается на вход системы импульсно-фазового управления тиристорного преобразователя, которая регулирует угол управления, т.е. фазу подачи управляющих импульсов на тиристоры.

Нелинейные элементы НЭ1 и НЭ2 предназначены для ограничения координат системы. Элемент НЭ1 ограничивает выходной сигнал регулятора тока, а следовательно, напряжение управления преобразователя и его выходную ЭДС. Элемент НЭ2 ограничивает выходной сигнал регулятора скорости, тем самым ограничивается сигнал задания тока и сам ток якоря.

Конструктивный расчет датчика ЭДС и звена компенсации:

В аналоговых системах автоматического управления электроприводами реализация регуляторов и других преобразователей сигналов осуществляется на базе операционных усилителей.

Принципиальная схема датчика ЭДС и звена компенсации показана на рис.8. Фильтр в канале напряжения реализуется на элементах R12, R13, C6. Форсирующее звено в канале тока реализуется на элементах R10, R11, С5. Операционный усилитель DАЗ предназначен для суммирования сигналов в датчике ЭДС, что осуществляется путем суммирования токов I1, и I2. Звено компенсации выполнено на операционном усилителе DА2. Элементы входной цепи и цепи обратной связи усилителя DА2 R8, R7, С4 обеспечивают реализацию свойств реального дифференцирующего звена.

Рис. 8. Принципиальная схема датчика ЭДС и звена компенсации

кОм

кОм

мкФ

мкФ

кОм.

Конструктивный расчет регулятора тока:

На рис.9. показана принципиальная схема регулятора тока и его входных цепей. Регулятор тока выполнен на операционном усилителе DА1. Последовательное включение в цепь обратной связи усилителя DА1 сопротивления R1 и емкости С1 обеспечивает пропорционально-интегральный тип регулятора. На входе усилителя DА1 суммируются три сигнала, приходящие по каналам задания на ток, обратной связи по току и по каналу компенсации ЭДС, путем суммирования токов I1, I2 и I3. В цепи задания на ток и в цепи обратной связи по току установлены фильтры на элементах R2, R3, С2 и R4, R5, С3 соответственно. Нелинейный элемент НЭ1 реализуется на стабилитронах VD1 и VD2.

Рис. 9. Принципиальная схема регулятора тока и его входных цепей

кОм

кОм

мкФ

мкФ

мкФ

кОм

Расчет регулирующей части контура скорости

Расчет параметров математической модели контура скорости:

где k_рс -- коэффициент передачи регулятора скорости

рад/с.

где ?щс(max) -- величину максимальной статической ошибки по скорости, рад/с

mс(max) - Максимальный по модулю статический момент на валу двигателя (смотри нагрузочную диаграмму двигателя М4 =174,5 Н•м),

mс(max) = 174,5

Конструктивный расчет регулирующей части контура скорости:

Принципиальная схема регулирующей части контура скорости представлена на рис.11. Регулятор скорости выполнен на операционном усилителе DА4. Суммирование сигнала задания на скорость и сигнала обратной связи по скорости осуществляется путем суммирования токов I1 и I2. Включение в цепь обратной связи усилителя DА4 сопротивления R16 обеспечивает пропорциональный тип регулятора. Стабилитроны VDЗ, VD4 реализуют нелинейный элемент НЭ2.

Рис. 10. Принципиальная схема регулирующей части контура скорости

R₁₅ = k_дс * R_бр ,

R₁₆ = k_рс * R_бр ,

R₁₅ = 1* 10000 = 10 кОм

R₁₆ = 48,5 * 10000 = 485 кОм

Расчет задатчика интенсивности

Расчет параметров математической модели задатчика интенсивности:

Задатчик интенсивности предназначен для формирования линейно изменяющегося во времени сигнала задания на скорость с определенным темпом. Структурная схема задатчика представлена на рис.12. Темп изменения выходного сигнала задатчика определяется уровнем ограничения Q нелинейного элемента (НЭ) и постоянной времени ТИ интегратора (И).

сек,

где А -- темп задатчика, сек

сек,

где Т_и-- постоянная времени интегрирующего звена ЗИ, сек

Q - Уровень ограничения нелинейного элемента, Q = 0,9

Конструктивный расчет задатчика интенсивности:

Принципиальная схема задатчика интенсивности представлена на рис.13. Нелинейный элемент реализуется на операционном усилителе DА7. Ограничение выходного сигнала обеспечивается за счет включения в цепь обратной связи усилителя DА7 стабилитронов VD5 и VD6. Интегратор реализуется на операционном усилителе DА6. Емкость С7 в цепи обратной связи усилителя DА6 определяет постоянную времени интегратора. Усилитель DА5 предназначен для инвертирования сигнала, чтобы обеспечить отрицательную обратную связь, охватывающую нелинейный элемент и интегратор.

мкФ

R₂₀ = К_л . R_бр,

где К_л - Коэффициент передачи в линейной зоне нелинейного элемента,

К_л = 100;

R₂₀ = 100 * 10000 =1 МОм

R₁₇ = R₁₈ = R₁₉ = R₂₁ = R₂₂ = R_бр = 10 кОм.

3.5 Расчет и выбор аппаратуры управления

Выбор автоматического выключателя

Из условия:

Uна>Uc

Iна>Iн

Выбираю автоматический выключатель типа «Compact NS100» Номинальный ток 100 А

Номинальное напряжение изоляции 750 В

Номинальное рабочее напряжение 500 В

Выбор контактора

Из условия:

Uна>Uc

Iна>Iн

Выбираю контактор типа «МК1-10Б»

Номинальный ток 100 А

Номинальное напряжение 220 В

3.6 Обоснование и выбор программируемого контроллера

Программимруемый логимческий контромллер(ПЛК) или программируемый контроллер -- электронная составляющая промышленного контроллера, специализированного (компьютеризированного) устройства, используемого для автоматизации технологических процессов. В качестве основного режима длительной работы ПЛК, зачастую в неблагоприятных условиях окружающей среды, выступает его автономное использование, без серьёзного обслуживания и практически без вмешательства человека.

В отличие от:

* микроконтроллера (однокристального компьютера), микросхемы предназначенной для управления электронными устройствами, областью применения ПЛК обычно являются автоматизированные процессы промышленного производства, в контексте производственного предприятия;

* компьютеров, ПЛК ориентированы на работу с машинами и имеют развитый 'машинный' ввод-вывод сигналов датчиков и исполнительных механизмов в противовес возможностям компьютера, ориентированного на человека (клавиатура, мышь, монитор и т. п.);

* встраиваемых систем -- ПЛК изготавливается как самостоятельное изделие, отдельно от управляемого при его помощи оборудования.

При выборе програмируемого логического контроллера необходимо учитывать следующие основные факторы:

1. Характер применения (автономно, в качестве станции в распределенной сети, в качестве удаленной станции)

2. Функциональное назначение (ПИД-регулирование, управление системами тепло- и водоснабжения, измерение и счет данных, терморегулирование, аварийная защита и блокировка и т.д.)

3. Количество входов/выходов (цифровых и аналоговых)

4. Требуемая скорость передачи данных

5. Наличие автономного счетчика времени

6. Условия регистрации и хранения данных

7. Возможность самодиагностики

8. Требования к панели оператора

9. Язык программирования

10. Интерфейс

11. Каналы связи (проводной, беспроводной)

12. Режим и условия эксплуатации

Основываясь на данных критериях выбираем данный контроллер:

SIMATIC S7-300 программируемый SIEMENS контроллер стандартного исполнения для эксплуатации в нормальных промышленных условиях для решения задач автоматизации низкой и средней степени сложности.

· Широкий спектр модулей SIEMENS контроллера для максимальной адаптации аппаратуры к решению любой задачи.

· Высокая гибкость, возможность использования систем распределенного ввода-вывода, широкие коммуникационные возможности.

· Удобная конструкция, простота монтажа, работа с естественным охлаждением.

· Простота расширения системы в ходе модернизации объекта.

· Высокая производительность контроллера SIEMENS благодаря наличию большого количества встроенных функций.

· Степень защиты IP 20 в соответствии с IEC 529

· Диапазон рабочих температур при горизонтальной установке 0…600C (-25…600C - Outdoor)

· при вертикальной установке 0…400C (-25…400C - Outdoor)

· Относительная влажность 5…95%, без конденсата (RH уровень сложности 2 в соответствии с IEC 1131-2)

· Атмосферное давление 795 … 1080 ГПa

· Изоляция цепи =24 В - испытательное напряжение =500В

· Изоляция цепи ~230 В - испытательное напряжение ~1460В

3.7 Описание работы программируемого контроллера

Принцип работы ПЛК несколько отличается от «обычных» микропроцессорных устройств. Программное обеспечение универсальных контроллеров состоит из двух частей. Первая часть это системное программное обеспечение. Проводя аналогию с компьютером можно сказать, что это операционная система, т.е. управляет работой узлов контроллера, взаимосвязи составляющих частей, внутренней диагностикой. Системное программное обеспечение ПЛК расположено в постоянной памяти центрального процессора и всегда готово к работе. По включению питания, ПЛК готов взять на себя управление системой уже через несколько миллисекунд. ПЛК работают циклически по методу периодического опроса входных данных. Рабочий цикл ПЛК включает 4 фазы: 1. Опрос входов 2. Выполнение пользовательской программы 3. Установку значений выходов 4. Некоторые вспомогательные операции (диагностика, подготовка данных для отладчика, визуализации и т. д.).

Выполнение 1 фазы обеспечивается системным программным обеспечением. После чего управление передается прикладной программе, той программе, которую вы сами записали в память, по этой программе контроллер делает то что вы пожелаете, а по ее завершению управление опять передается системному уровню. За счет этого обеспечивается максимальная простота построения прикладной программы - ее создатель не должен знать, как производится управление аппаратными ресурсами. Необходимо знать с какого входа приходит сигнал и как на него реагировать на выходах

Очевидно, что время реакции на событие будет зависеть от времени выполнения одного цикла прикладной программы. Определение времени реакции - времени от момента события до момента выдачи соответствующего управляющего сигнала - поясняется на рисунке:

Обладая памятью, ПЛК в зависимости от предыстории событий, способен реагировать по-разному на текущие события. Возможности перепрограммирования, управления по времени, развитые вычислительные способности, включая цифровую обработку сигналов, поднимают ПЛК на более высокий уровень в отличие от простых комбинационных автоматов.

Рассмотрим входа и выхода ПЛК. Существует три вида входов дискретные, аналоговые и специальные Один дискретный вход ПЛК способен принимать один бинарный электрический сигнал, описываемый двумя состояниями - включен или выключен. Все дискретные входы (общего исполнения) контроллеров обычно рассчитаны на прием стандартных сигналов с уровнем 24 В постоянного тока. Типовое значение тока одного дискретного входа (при входном напряжении 24 В) составляет около 10 мА.

Аналоговый электрический сигнал отражает уровень напряжения или тока, соответствующий некоторой физической величине, в каждый момент времени. Это может быть температура, давление, вес, положение, скорость, частота и т. д.

Поскольку ПЛК является цифровой вычислительной машиной, аналоговые входные сигналы обязательно подвергаются аналого-цифровому преобразованию (АЦП). В результате, образуется дискретная переменная определенной разрядности. Как правило, в ПЛК применяются 8 - 12 разрядные преобразователи, что в большинстве случаев, исходя из современных требований по точности управления технологическими процессами, является достаточным. Кроме этого АЦП более высокой разрядности не оправдывают себя, в первую очередь из-за высокого уровня индустриальных помех, характерных для условий работы контроллеров.

Практически все модули аналогового ввода являются многоканальными. Входной коммутатор подключает вход АЦП к необходимому входу модуля.

Стандартные дискретные и аналоговые входы ПЛК способны удовлетворить большинство потребностей систем промышленной автоматики. Необходимость применения специализированных входов возникает в случаях, когда непосредственная обработка некоторого сигнала программно затруднена, например, требует много времени.

Наиболее часто ПЛК оснащаются специализированными счетными входами для измерения длительности, фиксации фронтов и подсчета импульсов.

Например, при измерении положения и скорости вращения вала очень распространены устройства, формирующие определенное количество импульсов за один оборот - поворотные шифраторы. Частота следования импульсов может достигать нескольких мегагерц. Даже если процессор ПЛК обладает достаточным быстродействием, непосредственный подсчет импульсов в пользовательской программе будет весьма расточительным по времени. Здесь желательно иметь специализированный аппаратный входной блок, способный провести первичную обработку и сформировать, необходимые для прикладной задачи величины. Вторым распространенным типом специализированных входов являются входы способные очень быстро запускать заданные пользовательские задачи с прерыванием выполнения основной программы - входы прерываний.

Дискретный выход также имеет два состояния - включен и выключен. Они нужны для управления: электромагнитных клапанов, катушек, пускателей, световые сигнализаторы и т.д. В общем сфера их применения огромна, и охватывает почти всю промышленную автоматику.

3.8 Описание работы принципиальной схемы

Вращающийся распределитель шихты предназначен для равномерного распределения шихты на большом конусе доменной печи. Функциональная схема управления ВРШ показана на рисунке №34.

В схеме использованы следующие элементы.

QF1-Силовой автоматический выключатель

Т1-Трансформатор

VS1-VS12-Тиристоры силовые

LL-Дроссель сглаживающий

M-Электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением

KM-Контактор линейный

LM1-Обмотка возбуждения электродвигателя

RS1-Шунт токоизмерительный в цепи якоря электродвигателя

RS2-Шунт токоизмерительный в цепи обмотки возбуждения

LR2-Реактор токоограничивающий в цепи возбуждения электродвигателя

QF2-Силовой автоматический выключатель питания возбуждения электродвигателя

ДН-Датчик напряжения

ДТ-Датчик тока

БУВД-Блок управления возбуждением электродвигателя

СИФУ-Система импульсно-фазового управления

РТ-Регулятор тока

РС-Регулятор скорости

ЗИ-Задатчик интенсивности

АСУ-Автоматизированная система управления

Работа схемы.

Для начала работы электропривода ВРШ необходимо включить автоматический выключатель питания якорного тиристорного преобразователя QF1 и автоматический выключатель QF2 питания блока возбуждения электродвигателя. Система регулирования электроприводом одно зонная, двухконтурная. Внутренний подчиненный контур регулирования - это контур тока якоря, а внешний контур-это контур регулирования напряжения на якоре электродвигателя. Поток возбуждения в процессе регулирования остается неизменным. Сигнал задания на вращение электродвигателя поступает из автоматизированной системы управления на вход задатчика интенсивности. Из задатчика интенсивности сигнал поступает на узел сравнения, где происходит алгебраическое суммирование сигнала с выхода задатчика интенсивности и сигнала отрицательной обратной связи по напряжению на якоре электродвигателя. Результирующий сигнал поступает на вход регулятора напряжения, там он усиливается и поступает на узел сравнения, где происходит алгебраическое суммирование сигналов выхода из регулятора скорости и сигнала отрицательной обратной связи по току якоря электродвигателя. Результирующий сигнал поступает на вход системы импульсно-фазового управления. Там осуществляется фазирование и выработка сигнала управления силовыми тиристорами, которые поступают на управляющие электроды соответствующих тиристоров. В зависимости от момента подачи управляющего импульса на тиристоры меняется величина напряжения на якоре электродвигателя и, соответственно, частота вращения электродвигателя.

3.9 Расчет и выбор кабельной продукции

Пример 1.

Требуется выбрать силовой кабель для питания двигателя мощностью 12 кВт, напряжением 220 В.Другие параметры: cos=0,8; КПД=97%.Температура помещения 30+.

Решение. Находим номинальный ток двигателя

I_H=65 А

Поправочный коэфицент равны :К₁=0,94;К₂=1,0.

По таблице находим медный кабель сечением 26 мм². Изоляция из вулканизированного полиэтилена, изоляция из поливинилхлоридного пластика пониженной горючести и с низким дымо и газовыделением.

Выбранный кабель проверим по потере напряжения. Пусть длина кабеля составляет 100 м.Для сечения 26 мм² R₀=5 мОм/м;X₀= 1,2 мОм/м.По формуле имеем

=2,3

Полученное значение меньше допустимой величины, равной 5 %

Пример 2.Требуется выбрать силовой кабель для питания преобразовательной установки с питающим трансформатором мощностью 12 кВА, напряжение 220 В. Температура среды 30+.Нагрузка чисто активная.

Двухжильного кабеля с медными жилами и сечением 2 кабеля

Решение.

I_H=65А

Поправочный коэффициенты те же. Выбираем сечение кабеля 26 мм²

Кабель силовой с 4 жилами с медными жилами из поливинилхлоридного пластика пониженной горючести и с низким дымом и газовыделением ПвВГнг-LS c сечением 26 мм² . Прокладка в кабельных сооружениях, помещениях и сооружениях.

3.10 Описание мероприятий по технике безопасности при обслуживании и ремонте электропривода

Организационными мероприятиями, обеспечивающими безопасность работ в электроустановках, являются:

- оформление работ нарядом, распоряжением или перечнем работ, выполняемых в порядке текущей эксплуатации;

- допуск к работе;

- надзор во время работы;

- оформление перерыва в работе, перевода на другое место, окончания работы.

Ответственными за безопасное ведение работ являются:

- выдающий наряд, отдающий распоряжение, утверждающий перечень работ, выполняемых в порядке текущей эксплуатации;

- ответственный руководитель работ;

- допускающий;

- производитель работ;

- наблюдающий;

- члены бригады.

Выдающий наряд, отдающий распоряжение определяет необходимость и возможность безопасного выполнения работы. Он отвечает за достаточность и правильность указанных в наряде (распоряжении) мер безопасности, за качественный и количественный состав бригады и назначение ответственных за безопасность, а также за соответствие выполняемой работе групп перечисленных в наряде работников, проведение целевого инструктажа ответственного руководителя работ (производителя работ, наблюдающего).

Право выдачи нарядов и распоряжений предоставляется работникам из числа административно-технического персонала организации, имеющим группу V - в электроустановках напряжением выше 1000 В и группу IV - в электроустановках напряжением до 1000 В.

В случае отсутствия работников, имеющих право выдачи нарядов и распоряжений, при работах по предотвращению аварий или ликвидации их последствий допускается выдача нарядов и распоряжений работниками из числа оперативного персонала, имеющими группу IV. Предоставление оперативному персоналу права выдачи нарядов должно быть оформлено письменным указанием руководителя организации.

Ответственный руководитель работ назначается, как правило, при работах в электроустановках напряжением выше 1000 В. В электроустановках напряжением до 1000 В ответственный руководитель, как правило, не назначается.

Ответственный руководитель работ отвечает за выполнение всех указанных в наряде мер безопасности и их достаточность, за принимаемые им дополнительные меры безопасности, необходимые по условиям выполнения работ, за полноту и качество целевого инструктажа бригады, в том числе проводимого допускающим и производителем работ, а также за организацию безопасного ведения работ.

Ответственными руководителями работ назначаются работники из числа административно-технического персонала, имеющие группу V в электроустановках напряжением выше 1000 В и группу IV в электроустановках напряжением до 1000 В. В тех случаях, когда отдельные работы (этапы работы) необходимо выполнять под надзором и управлением ответственного руководителя работ, выдающий наряд должен сделать запись об этом в строке «Отдельные указания» наряда (приложение № 4 к настоящим Правилам).

Ответственный руководитель работ назначается при выполнении работ в одной электроустановке (ОРУ, ЗРУ):

- с использованием механизмов и грузоподъемных машин при работах в электроустановках, а на ВЛ - при работах в охранной зоне ВЛ;

- с отключением электрооборудования, за исключением работ в электроустановках, где напряжение снято со всех токоведущих частей (п. 2.2.8 настоящих Правил), в электроустановках с простой и наглядной схемой электрических соединений, на электродвигателях и их присоединениях в РУ;

- на КЛ и КЛС в зонах расположения коммуникаций и интенсивного движения транспорта;

- по установке и демонтажу опор всех типов, замене элементов опор ВЛ;

- в местах пересечения ВЛ с другими ВЛ и транспортными магистралями, в пролетах пересечения проводов в ОРУ;

- по подключению вновь сооруженной ВЛ;

- по изменению схем присоединений проводов и тросов ВЛ;

- на отключенной цепи многоцепной ВЛ с расположением цепей одна над другой или числом цепей более 2, когда одна или все остальные цепи остаются под напряжением;

- при одновременной работе двух и более бригад в данной электроустановке;

- по пофазному ремонту ВЛ;

- под наведенным напряжением;

- без снятия напряжения на токоведущих частях с изоляцией человека от земли;

- на оборудовании и установках СДТУ по устройству мачтовых переходов, испытанию КЛС, при работах с аппаратурой НУП (НРП), на фильтрах присоединений без включения заземляющего ножа конденсатора связи.

Необходимость назначения ответственного руководителя работ определяет выдающий наряд, которому разрешается назначать ответственного руководителя работ и при других работах, помимо перечисленных.

Допускающий отвечает за правильность и достаточность принятых мер безопасности и соответствие их мерам, указанным в наряде или распоряжении, характеру и месту работы, за правильный допуск к работе, а также за полноту и качество проводимого им целевого инструктажа.

Допускающие должны назначаться из числа оперативного персонала, за исключением допуска на ВЛ, при соблюдении условий, перечисленных в п. 2.1.11 настоящих Правил. В электроустановках напряжением выше 1000 В допускающий должен иметь группу IV, а в электроустановках до 1000 В - группу III.

Производитель работ отвечает:

- за соответствие подготовленного рабочего места указаниям наряда, дополнительные меры безопасности, необходимые по условиям выполнения работ;

- за четкость и полноту целевого инструктажа членов бригады;

- за наличие, исправность и правильное применение необходимых средств защиты, инструмента, инвентаря и приспособлений;

- за сохранность на рабочем месте ограждений, плакатов, заземлений, запирающих устройств;

- за безопасное проведение работы и соблюдение настоящих Правил им самим и членами бригады;

- за осуществление постоянного контроля за членами бригады.

Производитель работ, выполняемых по наряду в электроустановках напряжением выше 1000 В, должен иметь группу IV, а в электроустановках напряжением до 1000 В - группу III, кроме работ в подземных сооружениях, где возможно появление вредных газов, работ под напряжением, работ по перетяжке и замене проводов на ВЛ напряжением до 1000 В, подвешенных на опорах ВЛ напряжением выше 1000 В, при выполнении которых производитель работ должен иметь группу IV.

Производитель работ, выполняемых по распоряжению, может иметь группу III при работе во всех электроустановках, кроме случаев, оговоренных в пп. 2.3.7, 2.3.13, 2.3.15, 4.2.5, 5.2.1 настоящих Правил.