САУ электроприводом рольганга

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого

Факультет автоматизированных и информационных систем

Кафедра «Автоматизированный электропривод»

Расчетно-пояснительная записка

к курсовому проекту

по дисциплине «Системы управления электроприводами»

САУ электроприводом рольганга

Исполнитель: студент гр. ЭП-41

Даник Д.А.

Руководитель: преподаватель

Захаренко В.С.

Гомель 2013

Содержание

электропривод типоразмер силовой

Введение

1. Технические характеристики механизма. Требования к САУ электроприводом

2. Выбор системы электропривода и типоразмера электродвигателя

3. Выбор силового оборудования и расчет параметров ЭП

4. Разработка структуры САУ

5. Синтез САУ

6. Анализ статических показателей

7. Синтез и расчет узлов ограничений и защит

8. Синтез схемы включения ЭП и выбор аппаратов

Заключение

Литература

Введение

Целью данного курсового проекта является проектирование САУ электропривода рольганга.

Задачей проектирования САУ электропривода рольганга являются: выбор системы электропривода и типоразмера электродвигателя, выбор силового оборудования и расчёт параметров электропривода, разработка структуры САУ, синтез САР и выбор элементов контуров регулирования, анализ статических показателей, анализ динамики электропривода, синтез и расчёт узлов ограничений и защит, синтез схемы включения электропривода и выбор аппаратов.

1. Технические характеристики механизма. Требования к САУ электроприводом

В комплекс реверсивного стана горячей прокатки кроме рабочей клети входят: нагревательные колодцы, слитковозы, рольганги, поворотный стол, кантователь, рабочие рольганги, ножницы и другие механизмы, объединенные общей технологической линией. Прокатка происходит следующим образом: нагретый до температуры 1200--1250° С слиток из нагревательных колодцев или нагревательных печей транспортируют специальными тележками-слитковозами к приемному рольгангу, откуда посредством подводящего и удлинительного рольгангов доставляют на рабочий рольганг. Перед подачей слитка в клеть устанавливается с помощью нажимного устройства необходимый раствор валков, затем включается привод переднего рабочего рольганга и двигатель рабочих валков таким образом, чтобы в момент входа металла в валки их скорость соответствовала нормальным условиям захвата. Как правило, эта скорость ниже скорости прокатки, поэтому после захвата металла происходит дальнейшее увеличение скорости валков, и двигатель в это время преодолевает момент статического сопротивления и инерцию движущихся масс.

В конце пропуска двигатель включается на торможение с таким расчетом, чтобы скорость выброса металла из валков не была слишком большой, и слиток не уходил далеко от рабочей клети. После выхода слитка из валков включается нажимное устройство для получения нужного раствора валков, затем двигатель включается в обратном направлении для последующего пропуска. Для уменьшения времени паузы необходимо, чтобы перемещение нажимного устройства и реверс рольгангов и рабочих валков производился одновременно и за минимальное время. После второго, четвертого и других четных пропусков заготовка попадает на передний рабочий рольганг и здесь, если это необходимо, она кантуется на 90° при помощи кантователя или перемещается в нужный калибр с помощью линеек манипулятора. Общее количество пропусков при прокатке одного слитка (3--19), оно колеблется в зависимости от стана и размеров заготовки. После окончания прокатки металл транспортным рольгангом подается к ножницам, где отрезаются имеющие неправильную форму передний и задний концы проката, и осуществляется порез его на мерные длины.

Таким образом, для транспортирования прокатываемого металла к прокатному стану, подачи металла в валки, приема его из валков и передвижения к вспомогательным машинам (ножницам, пилам, правильным машинам и т. д.) служат рольганги. Рабочими называют рольганги, расположенные непосредственно у рабочей клети стана и служащие для подачи прокатываемого металла в валки и приема его из валков.

На рисунке 1 показана схема расположения рольгангов.

Рис 1. Схема расположения рольгангов: 1 - транспортный рольганг, 2 - рабочий рольганг, 3 - рабочая клеть стана

Применяют рольганги с групповым и индивидуальным приводом роликов. При индивидуальном приводе каждый ролик имеет отдельный привод. На рис 2 показана кинематическая схема рольганга с индивидуальным приводом ролика.

Рис 2. Кинематическая схема индивидуального привода ролика рольганга: 1 - ролик, 2 - подшипники, 3 - редуктор, 4 - муфты, 5 - электродвигатель

Рабочие рольганги, работающие в повторно-кратковременном режиме, требуют быстрого разгона и замедления механизма, так как в пределах отведенного им времени должны быстро выполнить свою операцию, не снижая общего ритма прокатки.

Привод механизма должен обеспечивать стопорную (экскаваторную) характеристику щ = f(М) для защиты электрического двигателя при чрезмерных усилиях, которые могут возникнуть в процессе работы, а также для приближения формы динамического тока при разгоне и торможении к прямоугольной, позволяющей при заданной максимальной величине тока получить более интенсивные переходные процессы [4].

В разрабатываемом курсовом проекте основными требованиями, предъявляемые к САУ ЭП, являются:

- диапазон регулирования скорости - 6 отн. ед;

- допустимое ускорение заготовки - 3,5 м/с²;

- частота вращения - 164 об/мин;

2. Выбор системы электропривода и типоразмера электродвигателя

Проанализировав требования предъявляемые к механизму подберём систему электропривода которая позволит наиболее дешево и надежно обеспечить эти требования.

Рассмотрим ряд систем. Асинхронный двигатель с фазным ротором, со ступенчатым регулированием добавочным сопротивлением. Это система проста, надежна в эксплуатации и обслуживании, а потому дешевая. Но данная система не обеспечивает необходимый диапазон регулирования скорости. Диапазон регулирования данной системы - 3-5, при необходимом 6. Таким же недостатком обладают следующие системы: двигатель постоянного тока последовательного возбуждения с реостатным регулированием, тиристорный преобразователь - асинхронный двигатель. Рассмотрим систему «тиристорный преобразователь - двигатель». Такая система позволяет получить глубокий диапазон регулирования скорости с достаточной точностью и применяется для электроприводов различной мощности. Она обладает высоким КПД и позволяет получить плавное протекание переходных процессов. Система ПЧ-АД (АИН, АИТ) - с амплитудным регулированием напряжения или тока имеют те же недостатки, что и тиристорный привод постоянного тока. Система ПЧ-АД (АИН) с широтно-импульсным регулированием напряжения имеет наиболее высокие показатели качества, но в ней невозможна рекуперация энергии. Для рекуперации энергии и для получения управляемого торможения либо ставят параллельно выпрямителю инвертор, либо вместо выпрямителя ставят реверсивный ТП. Но в этом случае система становится не конкурентоспособна с системой ТП-Д.

Следовательно, выберем систему ТП-Д, так как она наиболее дешево и надежно обеспечивает предъявляемые требования.

Выбор электродвигателя осуществляется по номинальной мощности и частоте вращения. Номинальная мощность и скорость вращения должны превышать заданные. При необходимости надо пересчитать мощность к номинальной продолжительности включения. При значительном отличии заданной и номинальной частоты вращения необходимо завышать мощность двигателя. При этом требуемая мощность пересчитывается через требуемый момент и номинальную частоту вращения.

При выборе необходимо учитывать вид рабочей машины. Для рабочих машин металлургического производства необходимо выбирать двигатели серии Д.

Выбираем двигатель Д816 тихоходного исполнения с параллельным возбуждением. Параметры двигателя представлены в таблице 1 [1].

U_Н = 220 В

P_Н = 85 кВт

I_Н = 350 А

n_Н = 535 об/мин

J_ЭД = 16.3 кг•м2

Таблица 1

Число активных проводни-ков якоря N	Число парал. ветвей якоря 2а	Сопр. якоря и добавочн. полюсов, Ом	Число витков на полюс параллель-ной обмотки	Сопр. парал. обмотки, Ом	Ток парал. обмотки, А	Число витков на полюс стабилизирующей обмотки	Магнитный поток на полюс, 10-2 Вб
504	8	0.0091	1140	26	7.1	1	10.4

Недостающие параметры рассчитаем по следующим формулам:

- индуктивность якоря

где: в_К = 0.6 - коэффициент учитывающий наличие компенсационной обмотки,

р_Д = 2 - число пар полюсов двигателя,

щ_Н = 60 - номинальная угловая скорость вращения двигателя (рад/с);

- конструктивная постоянная двигателя

где: N - число активных проводников якоря,

2а - число параллельных ветвей обмотки якоря;

- произведение конструктивной постоянной на номинальный магнитный поток (Вб)

- номинальный момент (Н*м)



В справочниках сопротивления, как правило, приводятся для температуры 15⁰С или 20⁰С. Его необходимо привести к рабочей температуре

где: б - температурный коэффициент (для меди б = 3.9*10^-3),

Дt - разница между допустимой температурой обмотки (выбирается по классу изоляции двигателя (H - 160⁰С)) и температурой, для которой приведено сопротивление в справочнике (20⁰С).

3. Выбор силового оборудования и расчёт параметров ЭП

Выбор комплектного электропривода производится исходя из вида рабочей машины, для которой рассчитывается электропривод.

Для регулирования скорости ЭД выбираем электропривод трёхфазный унифицированный серии:

ЭПУ1-2-4627П-УХЛ4,

где 2 - исполнение по реверсу: реверсивный;

46 - номинальный ток: 400 А;

2 - номинальное напряжение: 230 В;

7 - напряжение трёхфазной питающей сети: 380 В, 50 Гц;

П - функциональная характеристика: приводы подач, однозонные, с ОС по скорости, диапазон регулирования до 1000 [2].

Выбор трансформатора производится по требуемым номинальным напряжению и току преобразователя.

Выбираю трансформатор типа ТЗСП, трехфазный, двухобмоточный, сухой с естественным воздушным охлаждением, открытого исполнения ТЗСП - 160/0.7У3

C параметрами, приведёнными в таблице 2.

Таблица 2

Номин. мощность, кВ*А	Напр. сетевой обмотки, В	Вентильная обм.	Преобразователь	Потери, Вт	uк %	Iхх %
		U, В	I, А	U, В	I, А	Рхх	Ркз
143	380	202	408	230	500	795	2400	4.5	5.2

Для трансформатора рассчитываются параметры обмотки фазы, приведенные ко вторичной обмотке:

- полное сопротивление:

где u_К - напряжение короткого замыкания,

U_2НФ - номинальное фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора,

I₂ - номинальный ток вторичной обмотки трансформатора;

- активное сопротивление

где Р_КЗ - потери короткого замыкания (Вт);

- реактивное сопротивление (Ом) и индуктивность (Гн)

,

где: щ_с = 2рf_c - угловая скорость вращения напряжения сети (рад/с).

Расчет параметров якорной цепи двигателя производится по следующим формулам:

- активное сопротивление при мостовой силовой схеме тиристорного преобразователя

где Rк - коммутационное сопротивление

где р - количество пульсаций выпрямленного напряжения за период сети (р = 6 для трехфазной мостовой схемы выпрямления);

- индуктивность при мостовой силовой схеме тиристорного преобразователя

- постоянная времени якорной цепи

Момент инерции ролика:

Момент инерции металла, прокатываемого по ролику:

,

где m = 2500 кг - масса заготовки на один ролик рольганга,

D = 0.25 м - диаметр ролика.

Момент инерции механизма, приведённый к валу электродвигателя:

,

где i = 1 - передаточное число редуктора.

Суммарный момент инерции механизма и момента инерции электродвигателя:

.

4. Разработка структуры САУ

Исходя из характера рабочей машины, выбираю однозонную систему управления.

Так как возможен режим работы "на упор", то следует применять 2 контура регулирования (внутренний контур тока якоря и внешний контур скорости) в якорном канале системы управления.

Структурная схема линеаризованной модели, используемая для синтеза контуров регулирования - на рис. 3.

Выбираем номинальные значения сигналов задания всех регулируемых переменных: скорости Uзсн =5В, тока якоря Uзтн =5В. Выбирать номинальные значения следует так, чтобы максимально возможное значение сигнала не превышало напряжения насыщения операционного усилителя.

Требуемые коэффициенты передачи обратных связей определяются выбранными номинальными значениями сигналов задания и номинальными значениями соответствующих переменных

Т.к. отсутствуют фильтры в канале обратной связи: Tдс, Tдт - постоянные времени принимается равной нулю.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Структурная схема линеаризованной модели однозонной системы управления скоростью двигателя постоянного тока

5. Синтез САУ

Cинтез регулятора тока

Коэффициент передачи преобразователя:

,

где

U_у - напряжение управления = 10В,

- ЭДС холостого хода

,

kсх=2.34 - схемный коэффициент силовой цепи преобразователя для трёхфазной мостовой схемы.

Постоянная времени преобразователя:

,

где p - пульсность схем.

Электромеханическая постоянная времени:

Малая постоянная контура:

Т.к. выполняется условие , то внутренней ОС двигателя по ЭДС якоря пренебрегаем. Тогда

Для настройки на ТО необходим ПИ-регулятор:

,

где T_РТ = T_Я = 0.09 с.

Тогда:

Тогда передаточная функция замкнутого контура тока якоря:

Структурная схема контура тока якоря представлена на рис. 4.



Рис. 4. Структурная схема контура тока якоря.

Синтез регулятора скорости

С учетом замены контура тока якоря эквивалентным звеном структурная схема контура скорости, при двухконтурном якорном канале системы управления, будет иметь вид, представленный на рис. 5.

Передаточная функция объекта регулирования контура скорости

Тогда для настройки на технический оптимум необходим П-регулятор

а малая постоянная времени контура скорости определяется постоянной времени контура тока и постоянной времени датчика скорости



Рис. 5. Структурная схема контура скорости двухконтурной по якорному каналу системы управления

Расчет электрических номиналов элементов регуляторов

1) Регулятор тока.

Рис. 6. Электрическая схема регулятора тока

Т = R2·C1= 90·10^-3 с.

Принимаем:

С1 = 5,2 мкФ, тогда

R2 = Т/С1 = 90·10^-3 / 52 ·10^-6 = 1,731 кОм.

Принимаем: R2 =17 кОм.

Принимаем: R1 = 13,6 кОм.

2) Регулятор скорости.

Рис. 7. Электрическая схема регулятора скорости.

Принимаем: R2 = 2 МОм, тогда

Принимаем: R1 = 10 кОм.

Расчет задатчика интенсивности

Принципиальная электрическая схема задатчика интенсивности изображена на рис. 8.

Рис. 8. Электрическая схема задатчика интенсивности

Нелинейный элемент реализуется на операционном усилителе DA1.1 за счет включения в обратную связь пары стабилитронов VD11 и VD12. Интегратор реализуется на операционном усилителе DA1.2. Усилитель DA2.1 предназначен для инвертирования сигнала. Выбираем по стабилитроны КС 191Ф с Uстаб = 9.1В.

Принимаем:

Коэффициент усиления линейной зоны нелинейного элемента принимаем равным 100.

Емкость в обратной связи интегратора:

Радиус приведения:

Угловое ускорение:

где а = 3.5 м/сІ - допустимое ускорение рабочих валков.

Постоянная времени интегратора:



Темп ЗИ представляет собой величину ускорения электропривода в относительных единицах:

Величина ограничения нелинейного элемента составит:

В абсолютных единицах ограничение соответствует 10 В.

6. Анализ статических показателей

Найдем передаточную функцию замкнутого контура тока:



Рис. 9. Структурная схема контура скорости

Рис. 10. Преобразованная к статическому режиму структурная схема контура скорости

Статическая характеристика контура скорости по управлению:

(статическая ошибка по управлению равна нулю).

Для получения значения статической ошибки контура по моменту сопротивления запишем передаточную функцию замкнутого контура скорости по возмущению

Тогда величина ошибки составит

При скачке момента от нуля до номинального значения отклонение скорости составит

Величина отклонения скорости от установившегося значения <5% и составляет:

Диапазон регулирования скорости:

Следовательно, пониженная угловая скорость:

Величина ошибки при пониженной скорости составит:



Рис. 11. Статические характеристики замкнутого(1) ЭП, на пониженной скорости(2).

7. Синтез и расчёт узлов ограничений и защит

Узел защиты содержит следующие составляющие:

1) Максимально-токовая защита.

Зашиты воздействуют на основной триггер Т1 при этом загорается светодиод и снимаются импульсы с якорного преобразователя. При срабатывании защиты цепи возбуждения дополнительно загорается светодиод “перегрев двигателя”, снимаются импульсы с формирователя импульсов возбудителя ФИВ (сигналом Uбл. ФИВ)

2) Время-токовая защита.

Данная защита является вспомогательной и настраивается на определенное время перегрузки двигателя максимальным (пусковым) током в застопоренном состоянии (вход «Уставка Т⁰»).

3) Защита двигателя от перегрева (от токовых перегрузок);

4) Защита от перегрева преобразователя (в том числе по причине исчезновения вентиляции).

Защита от перегрева преобразователя срабатывает при перегреве тиристоров преобразователя или токоограничивающего реактора на токи 400 и 630 А и выполнена на усилителе и относящихся к нему элементах.

5) Защита от исчезновения напряжения питающей сети в цепи управления или силовой цепи (в том числе по причине сгорания предохранителей);

Защита от обрыва цепи тока возбуждения.

7) Защита от обрыва цепи тахогенератора.

При подключении цепи тахогенератора якорной цепью последнего шунтируется автогенератор, прекращается его работа (генерация). В аварийном режиме при обрыве цепи тахогенератора происходит включение (самовозбуждение) автогенератора.

8) Защита от неправильного чередования фаз.

При исчезновении одной из фаз или не правильном чередовании фаз питающей сети загораются светодиоды «ABC», «У».

9) Защита от превышения максимальной скорости.

При превышении максимальной скорости двигателя на 20% транзистор открывается и срабатывает триггер, и загорается светодиод «У», углы управления переводятся в бмакс и снимаются импульсы с ТПЯ.

10) Защита от перенапряжений двигателя.

Защита действует на регулятор ЭДС при исчезновении обратной связи по напряжению (это может произойти из-за неполадок в датчике напряжения ДН или обрыва цепи ДН).

Расчет время-токовой защиты:

Рис. 12. Схема время токовой защиты

Определение U_вых и постоянной времени Т. Расчёт будет производиться по схеме рис. 13.

Рис. 13. Расчётная схема.

U=0.5 В

В

Исходя из того, что t=10 сек, перегрузочная способность ,

с

Тогда пусть R=270 кОм

мкФ

Принимаем С=12 мкФ.

Максимально-токовая защита.



Рис. 14. Схема максимально-токовой защиты

Исходя из перегрузочной способности двигателя и того что , принимаем R₂=270 кОм; R₁=100 кОм

Защита выполняется на транзисторе VT. Уставка срабатывании защиты по I_яmax определяется величиной сменного резистора R₁.

8. Синтез схемы включения ЭП и выбор аппаратов

Так как при проектировании САУ за основу брался электропривод ЭПУ, 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 выбирают из условий:

- номинальный ток автомата должен быть больше рабочего тока первичной обмотки трансформатора: I₁ =408 А;

- номинальное напряжение автомата должно быть больше или равно сетевому напряжения U_с = 380 B;

- число полюсов было равно числу фаз питающей сети;

- номинальный ток теплового расцепителя должен быть больше рабочего тока I_d = 350 A;

- номинальный ток электромагнитного расцепителя должен быть больше рабочего тока I_d = 350 А;

Выписываем параметры выбранного автоматического выключателя в таблицу 3.

Таблица 3

Тип автоматического выключателя	А3796Б
Номинальный ток автомата, А.	630
Номинальное напряжение, В.	380
Уставка по току срабатывания электромагнитных расцепителей, А	4000
Предельный допустимый ожидаемый ток кз, кА.	70
Частота, Гц	50
ток срабатывания электромагнитного расцепителя, А.	630

Заключение

В данном курсовом проекте была спроектирована система автоматического управления электроприводом рольганга (служащего для подачи прокатываемого металла в валки и приема его из валков). Данная САУ имеет хорошее быстродействие, время переходных процессов не превышает 0.056 (tпп=0.0554с, =4.3%), что соответствует настройке на технический оптимум.

Также необходимо отметить, что режимы работы САУ вполне удовлетворительные.

Литература

1. Яуре А.Г., Певзнер Е.М. «Крановый электропривод», Справочник, М: Энергоиздат, 1988 г.

2. Перельмуттер В.М. «Комплектные тиристорные электропривода». Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1988 г.

3. Зеленков А.В. и др. Электропривод механизмов прокатных станов. - Харьков: Металлургиздат, 1963 г.

4. Королёв А.А. Конструкция и расчёт машин и механизмов прокатных станов. - М.: Металлургия, 1985 г.

5. Акинов Н.Н., Ващуков Е.П.: Резисторы, конденсаторы, трансфораторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Справочник - Мн.: Беларусь, 1994.

Размещено на Allbest.ru