Реферат
____ стр., 30 рисунок, формат А1 — 2.
АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ЦЕНТРИФУГА, РЕГУЛЯТОР, РОТОР, СТАТОР,НАПРЯЖЕНИЕ, ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА, ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА, СИЛОВАЯ СХЕМА, ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ,НАПОР, КПД, НОМИНАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ, СТАТИЧЕСКАЯ НАГРУЗКА, МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.
Цель работы — разработать автоматизированный электропривод центрифуги.В курсовом проекте рассчитан и проверен двигатель, спроектирована функциональная,силовая и структурная схемы электропривода. Рассчитаны переходные процессы и построенанагрузочная диаграмма.
Оглавление
Введение
1. Описание технологического процесса
2. Расчет статических нагрузокцентрифуги периодического действия
3. Двигатели, применяемые в электроприводе
5. Проверка выбранного двигателя по нагреву, пусковой и перегрузочным способностям
6. Расчет недостающих параметров электродвигателя
7. Регулирование скорости в системе преобразовательчастоты-двигатель переменного тока
8. Анализ статическиххарактеристик ЭП и требования предъявляемые к ЭП (Определение структурынастроек регулятора) построение статических характеристик СУЭП
9. Моделирование переходныхпроцессов СУЭП за цикл работы, определение основных энергетических показателей(ΔР,COSφ).
9.1 Моделирование переходных процессов СУЭП за цикл работы
9.2 Определение основных энергетических показателей(ΔР,COSφ)
10. Проектирование функциональной схемы ЭП. Расчет и выборсиловых элементов ЭП
Заключение
Список используемой литературы
Приложения
/>Введение
Практически во всех технологических процессах важное место занимаетэлектропривод и является основным управляемым источником механической энергии.
Интенсификация технологических процессов, повышение точности,совершенствование технологии, стремление к ведению процессов с минимальными потерямиэнергии обусловлено тенденциями совершенствования развития автоматизированного электропривода,началом которого можно считать появление быстродействующих полупроводниковых источниковпитания электродвигателей. Характерным для этого этапа автоматизации электроприводаявляется не только интенсивное и повсеместное применение полупроводниковой техники,но и широкое внедрение унифицированных управляющих устройств, предназначенных исключительнодля преобразования информации.
Такие устройства резко повышают быстродействие процессов управленияи расширяют возможности реализации сложных алгоритмов управления. Получила развитиеаналоговая и цифровая управляющая техника. Подобного типа управляющие устройствастановятся все более сходными с элементами электронных вычислительных машин, а структураавтоматического электропривода полностью приобретает явные черты типовой структурыАСУ.
Внедрение новой технологии и все большее разнообразие механизмов,машин и агрегатов выдвигают перед системой автоматического управления электроприводаминовые и сложные задачи. Если для отдельных механизмов требуется лишь обеспечениеплавного пуска электродвигателя, то при установке механизмов в одну технологическуюлинию (для повышения производительности) появилась необходимость плавного и синхронноизменять рабочую частоту вращения всех двигателей. В этих случаях требования точностистабилизации частоты вращения каждого двигателя определяется лишь необходимостьюподдержания заданной производительности.
/>1. Описание технологическогопроцесса
Центрифуги этого типа изготовляются в двух конструктивных исполнениях:с фильтрующим и с осадительным роторами.
Фильтрующие центрифуги можно считать базовой конструкцией этоготипа машин. Их применяют для разделения суспензий со средне — и мелкозернистой(размер частиц более ЗО мкм), преимущественно растворимой твердой фазой, когда допускаетсядробление частиц осадка.
Работа центрифуг наиболее эффективна при концентрации суспензииболее 10% (об.). В этих конструкциях предусмотрена возможность хорошего отжима иэффективной промывки осадка.
Конструктивные модификации центрифуги с осадительным роторомпредназначены для разделения малоконцентрированных плохо фильтрующихся суспензийс нерастворимой твердой фазой (размер частиц 5.40 мкм). Осадок в осадительных центрифугахне промывается.
Основное преимущество центрифуг типа ФГН состоит в возможностипроведения всех стадий процесса в автоматическом режиме и при постоянной частотевращения ротора. К недостаткам следует отнести измельчение кристаллов при срезеосадка, большие трудности регенерации фильтрующей перегородки при обработке суспензиис нерастворимой твердой фазой. Однако преимущества центрифуг типа ФГН значительнееих недостатков, поэтому спрос промышленности па них во всем мире по-прежнему высок.
Общий конструктивный признак центрифуг — горизонтальное расположениеоси ротора 5, вал 7 которого вращается в подшипниках качения 6, установленныхв станине 8 (рис.1). Привод центрифуги от электродвигателя через клиноременнуюпередачу. На передней крышке центрифуги смонтированы механизм 3 среза осадка,разгрузочный бункер 1, питающая труба 2, труба промывки и регенерации(для фильтрующих центрифуг), регулятор уровня слоя загрузки и переключатель ходаножа.
Поворотная крышка подвешена на петлях, уплотнена резиновой прокладкой.Описанная конструкция наиболее распространена для центрифуг с консольным расположениемротора.
В отличие от фильтрующих, у осадительных центрифуг имеется механизмотвода фугата из ротора, состоящий из черпающей трубки с силовым гидроцилиндром,снабженным дросселем для регулировании скорости ввода трубки в ротор. У осадительныхцентрифуг нет клапанов промывки и регенерации, а также разделительных клапанов.
/>
Рис.1. Конструктивная схема центрифуг типа ФГН с консольным ротором:
I — разгрузочный бункер; 2- питающая труба; 3 — механизм среза осадка; 4 — кожух; 5 — ротор; 6 — опоры вала; 7 — вал; 8 — станина; 9 — привод
При работе фильтрующей центрифуги суспензия через регулируемыйзагрузочный клапан и питающую трубу поступает во вращающийся с полной скоростьюротор и равномерно распределяется по поверхности сит. Фильтрат, промывной фильтрати жидкость после регенерации сит отводятся раздельно. При достижении заданной толщиныслоя осадка в роторе подача суспензии автоматически прекращается, после чего происходитотжим и промывка осадка. Отжатый после промывки осадок срезается ножом (или скребком)и выгружается из центрифуги.
Типовой цикл работы фильтрующих центрифуг состоит из операциифильтрования суспензии с образованием осадка, его промывки, центробежного отжимапосле промывки, выгрузки осадка и регенерации фильтрующей перегородки. Последнююоперацию в зависимости от проницаемости слоя, остающегося после среза осадка, можнопроводить в каждом цикле или через несколько циклов.
Центрифуги с ножевой выгрузкой осадка изготовляются в роторахдиаметром 240.2500 мм, отдельные образцы были изготовлены с роторами диаметром 2600и даже 3000 мм.
Распространены в основном две конструктивные разновидности центрифуг:с ротором, расположенным между опорами, и с консольным ротором. Центрифуги, в которыхротор расположен между опорами, изготовляются с одинарным или со сдвоенным ротором.
Обычно роторы диаметром до 1700 мм располагают консольно, свыше 1700 мм — между двумя опорами. Частота вращения ротора 750 об/мин.
Сдвоенные роторы горизонтальных центрифуг имеют диаметр 2000 мм и более. Большинство изготовителей производят центрифуги с одинарными роторами диаметром 600.2000 мм.
Базовая модель центрифуги ФГМ-63 имеет стандартную конструкциюконсольной машины. Она выпускается в трех конструктивных модификациях (ФГН-СЗЗК-01,ФГН-633К-02, ФГН-031Т-03.) и предназначена для малотоннажных производств и опытно-промышленныхустановок. Основные узлы центрифуг: литая станина, главный вал, маслостанция и виброизолирующееустройство — унифицированы. Остальные узлы в зависимости от конкретных условий работыи свойств обрабатываемого продукта имеют свои конструктивные особенности и выполняютсяиз различных материалов.
Одна из конструктивных модификаций (ФГН-633К. — 02) предназначенадля разделения суспензий не только с растворимой, но и главным образом с нерастворимойтвердой фазой.
При обработке суспензий с нерастворимой твердой фазой для удаленияподслоя осадка проводится операция механической регенерации сит при пониженной частотевращения ротора. Для выполнения этой операции в конструкцию центрифуги внесены изменения.Механизм среза осадка оборудован специальным механизмом удаления остаточного слояосадка. Для сообщения ротору малой скорости вращения (70.80 об/мин) во время механическойрегенерации центрифуга оборудована дополнительным приводом, состоящим из гидромотора,обгонной муфты и маслонасосной станции. При такой скорости вращения снимаемый щеткойосадок подает в бункер.
Примером машины с расположением ротора между опорами являетсяцентрифуга ФГН-2001К-01. Для улучшения условий выгрузки осадка разгрузочный бункермашины (рис.2) имеет подвижное дно, установленное на амортизаторах. В него вмонтированэксцентриковый вибратор. Разгрузочный механизм центрифуги с широким радиально перемещающимсяножом состоит из стального корпуса, на котором крепится режущее лезвие, гидравлическогоцилиндра для подъема ножа и приемного желоба, по которому срезанный осадок выводитсянаружу.
/>
Рис.1.2 Центрифуга ФГН-2001К-01 с ротором расположенным междуопорами
К тенденциям развития центрифуг типа ФГН в последнее десятилетиеможно отнести следующие. Преимущественное развитие получили конструкции консольныхцентрифуг, которые стали выпускать с роторами диаметром до 2100 мм. Увеличилось число типоразмеров центрифуг в параметрических рядах большинства фирм-изготовителей.В связи с развитием осадительных центрифуг непрерывного действия снизился удельныйобъем производства центрифуг типа ОГН.
Совершенствование системы автоматического управления идет попути замены программного управления (по реле времени) на параметрическое управление.Уже существуют системы, устанавливающие длительность операции промывки осадка покачественным показателям, продолжаются поиски конструктивных решений дистанционногоконтроля влажности осадка в роторе с целью управления длительностью операции отжимаи т.д.
/>2. Расчет статических нагрузокцентрифуги периодического действия
Расчет мощности производится по пусковому режиму, причем общаятребуемая мощность состоит из нескольких слагаемых: [2]
/>, (2.1)
где Р1 — мощность, затрачиваемая на преодоление момента инерциибарабана:
/>; (2.2)
mб — масса пустого барабана, 500 кг; v — окружная скорость барабана, м/с; τп — длительность пуска, 60 с; Р2 — мощность, затрачиваемаяна преодоление инерции массы материала:
/>; (2.3)
Vб — объем барабана, 1.7 м³;
ρс — плотность суспензии,1300 кг/м³;
Р3 — мощность, затрачиваемая на преодоление трения в подшипникахвала
/>, (2.3)
m∑ — суммарная масса барабана с загрузкой и других вращающихсядеталей, связанных с валом, 900 кг;
f — коэффициент трения, находящиися в следующих пределах: f=0,07÷0,1;
vв — линейная скорость цапфы вала,15 м/с;
g=9,81 м/с² — ускорение свободного падения;
/>, (2.4)
R — наружный радиус барабана, 1.2 м;
n — частота вращения барабана, об/мин.
Таким образом, полная потребляемая мощность с учетом потерь впередачах и подшипниках редуктора двигателя составляет:
/> (2.5)
ηР — КПД редуктра; ηДВ — КПДдвигателя;
Для расчета статических нагрузок принимаем следующий цикл работы
центрифуги:
Запуск механизма.
Работа с частотой вращения загрузки — 34 с.
Работа с частотой вращения отжима — 35с.
Работа с частотой вращения выгрузки — 18с.
Таким образом, в соответствии с циклограммой имеем три рабочихучастка электропривода центрифуг
Для последующего расчета зададимся некоторыми характеристикамиработы механизма:№участка
nц об/мин
nДВ, об/мин
Wц, рад/с
wДВ, рад/с
МС, Н*м 1 180 180 18,84 18,84 1130 2 1240 1240 129,78 129,8 600 3 70 70 7,33 7,33 2870
Исходя из предложенного метода расчета, определим статическиенагрузки механизма на каждом из рабочих участков.
Рассмотрим 1-ый участок работы:
/>
/>
/>
/>
P1= (P1+P2+P3+P4) /0,84=21,3кВт
Рассмотрим 2-ой участок работы:
/>
/>
/>
/>
Р2= (P1+P2+P3+P4) /0,84=77,92кВт
Рассмотрим 3-ий участок работы механизма:
/>
/>
/>
/>
Р3= (P1+P2+P3+P4) /0,84=21,07кВт
Далее определим моменты, действующие на центрифугу в статическихрежимах:
/> (2.6)
/>, />
/>
На основе рассчитанных значений построим нагрузочную и скоростнуюдиаграмму работы механизма:
/>
Рисунок.2.1 нагрузочную и скоростную диаграмму работы механизма
Для предварительного выбора электродвигателя рассчитаем среднийэквивалентный момент на валу механизма за цикл работы:
/>, (2.7)
Мс. i. — статический момент на i-ом интервале нагрузочной диаграммымеханизма;
ti — продолжительность i-го интервала;
tц — время цикла;
n — число интервалов в цикле;
/>
Для предварительного выбора приводного электродвигателя определяющеезначение играет режим работы двигателя в системе и соответствие выбранного двигателяданному режиму работы механизма.
Принимая во внимание специфику процесса, делаем вывод о том,что проектируемый электропривод будет работать в кратковременном режиме, то естьв режиме S2.
Мощность двигателя, работающего в длительном циклическом режимес переменной нагрузкой можно рассчитать по среднеквадратичному статическому моментуМСЭ:
/>, (2.8), /> (2.9)
к — коэффициент запаса, учитывает динамические нагрузки, к=1,2
/> Вт
С учетом всего вышесказанного останавливаем свой выбор на асинхронномдвигателе с короткозамкнутым ротором серии 4А180M4Y3 со следующими рабочими характеристиками: Тип двигателя 4А180M4Y3
1. Номинальная мощность, кВтPном 30 2. Частота сети, Гц; 50
3. Синхронная частота вращения, мин-1; /> 1500
4. Номинальное скольжение, %Sном 2% 5. КПД, %; 91
6. cos/>; /> 0,89
7. Iпуск/Iном; 7
8. Мп/ Мном Нм; /> 1,4
9. Мmax/ МномНм; /> 2.2
10. Мmm/ МномНм; /> 1
3. Двигатели, применяемые в электроприводе
Двигатели, применяемые в электроприводе разделяются на две группы:
двигатели, предназначенные для привода механизмов длительногорежима работы с неизменной (мало меняющейся) нагрузкой;
двигатели, работающие в динамических режимах.
Первая группа двигателей предназначена для следующих механизмов:насосы, вентиляторы, компрессоры, насосы, воздуходувки, транспортеры, дробилки,сушилки и т.д. Это электрические машины общего назначения: асинхронные двигателисерий АИ, 2АИ, АИР, 4А, двигатели постоянного тока серий 4П, 2П, П, синхронные двигателиСДН, СДН3, СДК, СДКП.
Вторая группа двигателей предназначена для механизмов с частымипусками, торможениями, реверсами и большой частотой включения. Как правило, этомеханизмы кратковременного и повторно-кратковременного режимов работы (подъемники,лебедки, краны, лифты, манипуляционные механизмы роботов и т.д.).
Наиболее характерными для промышленных электроприводов являютсятри режима работы.
Продолжительным номинальным режимом работы (S1) электрическоймашины называется режим ее работы при неизменной нагрузке такой продолжительностью,что превышения температуры всех частей машины достигают установившихся значений.[1]
Кратковременным номинальным режимом работы (S2) электрическоймашины называется режим, при котором период неизменной нагрузки чередуется с периодомотключения машины, при том периоды нагрузки не настолько длительны, чтобы превышениятемпературы машины могли достигнуть установившихся значений, а периоды отключениянастолько длительны, что все ее части охлаждаются до температуры охлаждающей среды.Для кратковременного режима работы рекомендуются продолжительности рабочего периодаtр 15, 30, 60, 90 мин.
Повторно-кратковременным номинальным режимом работы (S3) называетсярежим работы электрической машины, при котором кратковременные периоды неизменнойноминальной нагрузки — рабочие периоды — чередуются с периодами отключения машины- паузами, причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобыпревышения температуры частей машины могли достигнуть установившихся значений. Повторно-кратковременныйрежим работы характеризуется относительной продолжительностью включения.
Для центрифуг периодического действия характерно то, что моментинерции центрифуг может в 50-100 раз превышать момент инерции двигателя, причемв процессе работы центрифуги значение его изменяется в широких пределах в связис выделением жидкой фазы из обрабатываемого продукта. Это характерно для всех центрифугпериодического действия.
Для центрифуг периодического действия при расчете мощности электродвигателянеобходимо учитывать динамические моменты, возникающие при переходных процессахи составляющие при больших моментах инерции центрифуг весьма значительную величину.Для центрифуг периодического действия широко применяются многоскоростные АД.
Выполним операцию приведения моментов сопротивления, действующихна центрифугу, к валу двигателя.
Статический момент на валу рабочей машины, приведенный к валуэлектродвигателя, без учета потерь в передаче определяется выражением:
/>,
где Мм — момент сопротивления на валу рабочей машины;
j — передаточное число.
автоматизированный электропривод центрифуга двигатель
Передаточное число рассчитаем из условия соблюдения соответствиямаксимальных скоростей электродвигателя и механизма с учетом регулирования, то естьмаксимальная скорость вращения центрифуги за цикл работы должна соответствоватьноминальной скорости вращения двигателя.
/> (3.1)
для механизма />
/> (3.2)
Приведем моменты к валу электродвигателя:
/>, />, />
Кинематическая схема:
/>
4. Расчет динамических моментов и построениеупрощенной нагрузочной и скоростной диаграммы электропривода
Нагрузочная диаграмма электропривода представляет собой зависимостьэлектромагнитного момента М, тока I или мощности Р от времени. В тех случаях, когдамомент и ток связаны линейной (или примерно линейной) зависимостью, обычно нагрузочнуюдиаграмму строят для момента, который определяют из основного уравнения движенияэлектропривода:
/>, (4.1)
где МС — статический момент на валу двигателя;
Мдин — динамический момент электропривода;
JΣ — суммарный момент инерции электропривода,кг·м².
Динамический момент электропривода Мдин определим приближенно,принимая линейным закон изменения скорости, т.е.
/>, (4.2)
где ωуст — установившаяся скорость двигателя на данном участкескоростной диаграммы, рад/с;
tп. т. — время пуска (торможения), с;
εдоп — допустимое угловое ускорение (замедление), рад/с
В нашем случае допустимое ускорение выберем, исходя из обычныхусловий запуска двигателя:
/> (4.3)
Определим угловое ускорение. Для этого предположим, что времяразгона нашего двигателя до номинальной скорости будет равно 5 секунды, тогда:
Определим суммарный момент инерции электропривода:
/>, (4.4)
где δ=1,15÷1,3 — коэффициент,учитывающий момент инерции вращающихся масс передаточного механизма;
Jдв — момент инерции ротора двигателя;
Jмуф — момент инерции соединительноймуфты, тормоза и других частей механизма, непосредственно связанных с валом двигателя;
Jм — момент инерции вращающихся частеймеханизма;
j — передаточное число редуктора;
m — масса поступательно движущихся частей механизма, кг;
ρ — радиус приведения.
В нашем случае суммарный момент инерции будет равен:
/>, при />
Далее определим моменты на каждом интервале нагрузочной диаграммыработы центрифуги. Исходя из основного уравнения электропривода:
/> (4.5), />
В соответствии с заданным циклом работы электропривода, рассчитаемтри момента системы:
/>, />
/>
Естественный останов двигателя после выключения обеспечиваеттормозной момент />. Время естественного останова двигателяпринимаем 10 с. Тогда имеем:
/>
/>
/> - ускорение естественного остановаэлектродвигателя;
/> - динамический момент естественноготорможения электродвигателя;
/> - время остановки двигателя послевыключения.
На основе произведенных расчетов строим упрощенную нагрузочнуюи скоростную диаграмму электропривода.
t= [0 5 5 39 39 42 42 74 74 76 76 92 92 102102]
y= [1013 1013 950 950 563 563 500 500 2493 24932430 2430 2398 2398 0]
figure (1)
subplot (2,1,1)
plot (t,y)
xlabel ('t')
ylabel ('M')
title ('Nagruzochnaia diagramma')
T= [0 5 39 42 74 76 92 102]
R= [0 180 180 1240 1240 70 70 0]
figure (1)
subplot (2,1,2)
plot (T,R)
xlabel ('t')
ylabel ('w')
title ('Skorostnaia diagramma')
/>
Рисунок.4.1 Упрощенная нагрузочная и скоростная диаграмма электропривода.
/>5. Проверка выбранного двигателяпо нагреву, пусковой и перегрузочным способностям
Упрощенная нагрузочная диаграмма используется для предварительнойпроверки двигателя по нагреву, пусковой и перегрузочной способностям.
Для проверки двигателя по нагреву используется несколько методов:метод средних потерь и методы эквивалентных величин (тока, момента и мощности).Первый из них является наиболее точным, остальные же (методы эквивалентных величин)отличаются большей удобностью применения, но меньшей точностью.
Для двигателей, работающих с постоянным магнитным потоком (двигателипостоянного тока независимого и параллельного возбуждения, асинхронные двигатели,работающие при скольжениях, меньших критического), наиболее часто применяется методэквивалентного момента, для которого условием правильного выбора двигателя по нагревуявляется условие:
/>
Эквивалентный момент двигателя, работающего в кратковременномрежиме с переменной нагрузкой определяется следующим образом:
/>, (5.1)
tо. i — продолжительность i-ой паузы;
tn. m. i — продолжительность пуска (торможения)на i-ом интервале;
tу. i — продолжительность установившегося движения наi-ом интервале;
l — количество пауз;
m — число интервалов пуска и торможения;
n — число рабочих интервалов в цикле;
N — количество интервалов установившегося движения;
αо — коэффициент ухудщения условий охлаждения припуске, торможении двигателя с самовентиляцией (αо≈0,75 для двигателейпостоянного тока; αо≈0,5 для асинхронных двигателей);
βо — коэффициент, учитывающий ухудшение охлаждения самовентилируемогодвигателя при отключении (βо=0,5 для закрытых двигателей и βо=0,3 длязащищенных).
В нашем случае
/>
/>, (6.2)
Таким образом, условие проверки двигателя на нагрев выполняется:
/>
По приближенной нагрузочной диаграмме двигатель также проверяетсяи по перегрузочной способности в соответствии с условием
/>,
где МС. МАХ — максимальное значение статического моментана валу двигателя; λm — допустимый коэффициент перегрузки двигателяпо моменту.
Максимально допустимый момент асинхронного двигателя необходиморассчитывать с учетом возможного снижения питающего напряжения на 10%:
/> (6.3)
Для выбранного двигателя получаем:
/>,
/>
Условие адекватности выбора двигателя по перегрузочной способностивыполняется:
/>
Проверка выбранного двигателя по пусковым условиям производитсяв соответствии со следующим условием:
/>, (6.4)
где МС. МАХ — максимальное значение статического моментана валу двигателя при пуске;
λП — кратность пускового момента двигателя;
МНОМ — номинальный момент двигателя.
С учетом характеристик выбранного двигателя получаем:
/> (6.5)
То есть двигатель приемлем по критерию пусковой способности:
/>
Делаем вывод о правильном выборе электродвигателя.
/>6. Расчет недостающих параметровэлектродвигателя
Найдем теперь параметры необходимые для построения структурнойсхемы, а также те параметры, которые понадобятся для ее анализа. [3]
Рассчитаем номинальный ток двигателя: Номинальный фазный токстатора, А:
/>, (6.1)
Полное сопротивление короткого замыкания, Ом:
/>, (6.2)
где λI — кратность пускового тока.
Приведенное активное сопротивление фазы ротора, Ом:
/>, (6.3)
/>, (6.4)
/>, (6.5)
/>, (6.6)
/>, (6.7)
/>, (6.8)
nо — скорость идеального холостого хода,об/мин.
Активное сопротивление фазы статора:
/>, (6.9)
где cosφпуск — коэффициентмощности при пуске
/>
/>
где γ1 — отношение мощности потерь мощности в обмотке статорапри номинальной нагрузке к полным номинальным потерям,
/>, принимаем 0.3
Индуктивное сопротивление короткого замыкания, Ом:
/>, (6.10)
Тогда активное сопротивление фазы статора:
/>, (6.11)
Индуктивные сопротивления рассеяния статора и ротора примерноравны, Ом:
/>, (6.12)
/>, (6.13)
Ток холостого хода асинхронного короткозамкнутого двигателя,А:
/>, (6.14)
где sк — критическое скольжение,которое можно определить по формуле
/>, (6.15)
/>, (6.16)
λm,λп — кратность максимального и пусковогомоментов.
где sк — критическое скольжение.
Построим механическую характеристику двигателя. Расчет производилсяв Приложение I
/>
Рисунок 6.1 Механическая характеристика двигателя с короткозамкнутымротором.
Приведенный ток ротора:
/>, (6.17)
/>.
Потери мощности при холостом ходе, Вт:
/>, (6.18)
/>
Коэффициент мощности при холостом ходе двигателя:
/>, /> (6.19)
Индуктивное сопротивление намагничивающего контура, Ом:
/>, (6.20)
Активное сопротивление намагничивающего контура
/>, (6.21)
или/>,
где ∆Рсm — потери в стали статора, Вт
/>, />,
/>
Электромеханическая постоянная времени асинхронного электроприводадля линейной части механической характеристики определяется по формуле:
/>, (6.22)
/>, (6.23)
где w0 — скорость идеального холостогохода, 1/с;
J — суммарный момент инерции ЭП,кг*м2 (J=2.44);
Мном — номинальный момент, H*m
Тогда для линейной части механической характеристики постояннаявремени будет следующая:
/>, (6.23)
Электромагнитная постоянная времени АД, с:
/>, (6.24)
Имея параметры электропривода, приступаем к расчету и построениюстатических электромеханических и механических характеристик, которые обеспечиваюттребуемые режимы работы на каждом интервале нагрузочной и скоростной диаграмм.
/>7. Регулирование скоростив системе преобразователь частоты-двигатель переменного тока
Этот способ регулирования скорости перспективен как для отдельныхрегулируемых АД и СД, так и при одновременном изменении скорости нескольких АД,приводящих в движение группы механизмов. Когда требуется получить высокие скорости,например, центрифуг, шлифовальных станков, регулирование скорости АД изменениемчастоты питающего напряжения предпочтительно, а в некоторых случаях это и единственновозможный способ [6]. Возможность регулирования скорости АД при изменении частотыследует непосредственно из выражения:
/>, (7.1)
При регулировании частоты необходимо изменять и значение питающегодвигатель напряжения. Это объясняется тем, что при неизменном напряжении источникапитания /> ирегулировании его частоты изменяется магнитный поток АД, поскольку />~/>. Магнитный поток при неизменнойнагрузке на валу определяет значение тока ротора, поскольку />
При выборе соотношения между частотой и напряжением, подводимымк статору АД, исходят из условия сохранения перегрузочной способности:
/>, (7.2)
Закон изменения напряжения при частотном изменении скорости АД,удовлетворяющий данному требованию, имеет следующий вид:
/>, (7.3)
где /> - фазное напряжение источника питанияАД при частоте />;
/> - момент статической нагрузки на валудвигателя при скорости />;
/> - фазное напряжение источника питанияАД при частоте />;
/> - момент статической нагрузки на валудвигателя при скорости />.
В относительных единицах закон изменения напряжения при частотномрегулировании выражается:
/>, (7.4)
/> (7.5)
/>, (7.6)
/>, (7.7)
Механические характеристики АД при частотном регулировании скоростиразличны для различных зависимостей статической нагрузки от скорости. В нашем случаезакон изменения напряжения при частотном управлении АД примет вид (в относительныхединицах):
/> или />
Получим вид механических характеристик для каждого режима работыАД в соответствии с принятым циклом работы. Для этого сначала определим необходимыечастоты питающего двигатель напряжения, исходя из желаемых частот вращения АД накаждом из участков цикла:
/>
/>
/>;
Далее для каждого из участков цикла рассчитаем необходимое изменениеподводимого напряжения, а также значения критического момента и скольжения двигателяна каждой из механических характеристик.
1-ый участок цикла:
/>;
/>;
/>;
/>;
/>;
/>
2-ой участок цикла:
/>;
/>
/>;
/>
/>
/>
3-ий участок цикла:
/>; />;
/>; />
/>;
/>
Построим механические характеристики двигателя для каждого изучастков работы электропривода. Для этого используем формулу Клосса. Следует отметить,что характеристики, построенные по данной формуле имеют значительные погрешностив области S
/>
Результаты расчётов приведены в приложении I
/>
Рисунок.7.1 механические характеристики двигателя для каждогоиз участков работы электропривода.
Механическая характеристика асинхронного двигателя при динамическомторможении без учета насыщения магнитной цепи (хμ=х0=const) описывается уравнением
/>, где
/>;
/>,
где Iэ — эквивалентное значение тока статора, определяемоекак
/>,
ксх — коэффициент, зависящий от схемы включения обмотокстатора к источнику постоянного тока. В частности, при подключении последовательнодвух фаз статора к источнику постоянного тока />; /> - относительная скорость ротора; Iпост — величина постоянного тока, протекающего по обмоткам статора.
/>
Рисунок 7.2 Механическая характеристика асинхронного двигателяпри динамическом торможении
Реализовать схему динамического торможения можно следующим образом:
/>
Рисунок.7.3 Схема динамического торможения асинхронного двигателя.
/>8. Анализ статических характеристикЭП и требования предъявляемые к ЭП (Определение структуры настроек регулятора) построениестатических характеристик СУЭП
На практике существуют различные способы управления частотойвращения асинхронного двигателя. Среди них управление напряжением питания, магнитнымпотоком, количеством пар полюсов, введением добавочного сопротивления в цепь ротора(для АД с фазным ротором) и др. Однако в последнее время наиболее распространеннымметодом регулирования скорости асинхронного двигателя является способ управлениячастотой питающей сети. Кроме того заметим, что статическая характеристика ЭП являетсяастатической, соответственно частотное управление будет оптимальным для данной системы.[2]
Различают два основных способа частотного управления:
частотное управление, при котором в качестве управляющих воздействийприняты частота и напряжение статора;
частотное управление, при котором в качестве управляющих воздействийприняты частота и ток статора.
Второй способ называют частотно-токовым управлением. Формированиемеханических характеристик асинхронных двигателей при частотном управлении, каки при управлении двигателями постоянного тока, подчинено задачам обеспечения требуемойперегрузочной способности и жесткости характеристик во всем диапазоне регулированияскорости.
Заданная перегрузочная способность обеспечивается путем выполненияопределенных соотношений между частотой и напряжением статора. Жесткость механическиххарактеристик может быть сколь угодно высокой при использовании обратных связейпо скорости. Следует подчеркнуть, что и без обратных связей по скорости жесткостьмеханических характеристик частотно-управляемых электроприводов переменного токаоказывается более высокой, чем у приводов постоянного тока. Это обстоятельство способствуетприменению простых систем управления асинхронными электроприводами, не оснащеннымидатчиками скорости и контурами регулирования скорости. Поскольку для центрифуг периодическогодействия характерно то, что момент инерции центрифуг может в 20-100 раз превышатьмомент инерции двигателя, причем в процессе работы центрифуги значение его изменяетсяв широких пределах в связи с выделением жидкой фазы из обрабатываемого продукта,то необходимо вводить обратную связь не только по току, но и скорости. [3]
/>
Рис.8.1 Функциональная схема СУЭП
Функциональную схему СУЭП можно представить в следующем виде:
/>
Рисунок.8.2 Функциональная схема СУЭП.
ПЧ — преобразователь частоты;
СУПЧ — система управления ПЧ;
ФТС — формирователь токового сигнала,
ФСС — формирователь сигнала скорости;
ДС — датчик скорости;
ДТ1, ДТ2, ДТЗ — датчики тока.
Автономный инвертор тока с полной коммутирующей емкостью.На рисунке 8.3 изображена схема трехфазногоинвертора тока с полной коммутирующей емкостью." Трехфазныйтиристорный выпрямитель U выпрямляет ток сети,и выпрямленный ток сглаживается дросселем L. Тиристорыинвертора тока /> />, включенныепо трехфазной мостовой схеме, пропускают ток в течение 1/3 периода (120°). Переключение производится спериодичностью 60° в последовательности, соответствующейнумерации тиристоров. Коммутация тока и компенсация реактивноймощности осуществляются конденсаторами С1-СЗна стороне переменного тока.
К достоинствам схемы следует отнести сравнительнуюпростоту и благоприятную для тиристоров форму коммутационного напряжения.Наряду с достоинствами имеются й недостатки: вольтампернаяхарактеристика является крутопадающей, причем на холостом ходу напряжение можетпревышать напряжение источника постоянного тока в десятки раз; емкость конденсаторовдолжна быть большой, при снижении частоты и при постоянном моменте на валу она возрастаетобратно пропорционально квадрату частоты; большая емкость, выбранная из условиянизшей частоты, может повлечь за собой на более высоких частотах конденсаторноесамовозбуждение асинхронного двигателя, вызывающее самораскачивание системы«инвертор-двигатель», которое приводит к срыву коммутации и короткомузамыканию источника питания.
Инверторы тока с полной коммутирующей емкостью применяют в основномв качестве источников повышенной частоты, при стабильной выходной частоте или прималых пределах изменения последней. При изменении нагрузки в широких пределах применяютрегуляторы отбора реактивной мощности, представляющие собой три линейные индуктивности,последовательно с каждой из которых включаются встречно-параллельные тиристоры.Включение регулятора отбора реактивной мощности параллельно коммутирующим конденсаторамдает возможность стабилизировать выходное напряжение инвертора тока.
/>
Рисунок 8.3 Схема инвертора тока с ограниченной коммутирующейемкостью.
В АИТ, наоборот, очередность коммутации тиристоров определяетформу тока, а форма напряжения зависит от нагрузки. Это обусловлено включением навход инвертора реактора с достаточно большой индуктивностью. Основной недостатоксистем с одним регулятором — сложность настройки параметров цепей ОС по току и скорости.Настройка носит компромиссный характер и не является оптимальной. Этот недостатокисключен в системах с подчиненным (каскадным) регулированием.
Каскадная система — это многоконтурная система, в каждом контурекоторой имеется одна регулируемая величина и регулятора этой величины. При этомкаждый внешний контур является задающим для своего внутреннего, т.е. в этом смыслевнутренний контур подчинен внешнему. Настройка (оптимизация) этих систем производитсянезависимо и последовательно от внутреннего к внешнему.
Достоинства данной системы управления:
система обеспечивает высокие статические и динамические характеристики;
структура и сами элементы стандартизованы, что упрощает изготовление,наладку и ремонт;
применяются стандартные регуляторы и настройки.
В системе частотно-токового управления двигатель питается оттиристорного преобразователя (ТП) частоты с автономным инвертором тока (АИТ). Втаком случае управляемый выпрямитель (УВ) совместно с контуром регулирования токавыпрямителя образует источник тока. Управление двигателем производится путём заданиятока статора и частоты АИТ. Обе величины, в свою очередь, зависят от общего сигналазадания на систему, определяющего скорость двигателя. Ток статора связан также снагрузкой двигателя.
Принцип работы данной системы заключается в следующем: в контурескорости, напряжение задания (Uз), сравнивается с напряжениемпоступающем с датчика скорости, который реализуется на тахогенераторе, пропорциональнымскорости асинхронного двигателя. На основе разности напряжений регулятор скорости(РС) формирует сигнал управления АИТ. Последний в свою очередь задает частоту токастатора. Выходной сигнал поступает на регулятор тока (РТ) и сравнивается с токомстатора, измеренного с помощью датчика тока (ДТ) (трансформатор тока). Отрицательнаяобратная связь по току обеспечивает необходимую точность контура тока. Выходнойсигнал регулятора тока поступает на управляемый выпрямитель (УВ), где формируетсязакон изменения тока статора. Регулятор скорости воздействует на автономный инвертортока, а регулятор тока — на управляемый выпрямитель. Подобное разделение позволяетобеспечить высокое качество переходных процессов.
Для того чтобы смоделировать систему управления ЭП принимаемнелинейную характеристику АД в виде линейной зависимости, приняв следующие допущения:
возмущение имеет скачкообразный характер своего изменения (наброси сброс статического момента нагрузки);
значение возмущения не превышает максимального момента, развиваемогодвигателем, т.е. до и после возмущения асинхронный двигатель работает на устойчивойчасти своей механической характеристики;
т.к. двигатель работает совместно с ЧП, следовательно работапроисходит на устойчивой части механической характеристики, которая описываетсяследующим выражением:
/>, (8.1)
где sмакс — значение максимальногоскольжения, s — текущее значение скольжения, Мдв — момент развиваемый асинхронным двигателем, /> - символ дифференцирования.
Запишем уравнение движения в таком виде:
/>, (8.2)
где z — число пар полюсов двигателя.Это уравнение совместно с (8.1) составляют систему, описывающую поведение асинхронногодвигателя в переходных процессах с учётом электромагнитных явлений. Если принять,что до наброса нагрузки двигатель работал в установившемся режиме, то эту точкуможно положить точкой с нулевыми начальными условиями для последующего переходногопроцесса. После соответствующих преобразований, подстановки одного в другое и приведенияк операторной форме рассматриваемая система примет вид:
/>,/>, (8.3)
где /> - электромагнитная постоянная времениасинхронного двигателя; /> - электромеханическая постоянная временипривода; /> и/> - изображенияпо Лапласу момента двигателя и статического момента нагрузки. Система уравнений(8.3) позволяет получить передаточную функцию рассматриваемой системы электропривода.Входной величиной здесь является статический момент сопротивления Мст,а выходной — интересующие нас значения угловой скорости (скольжения) и момента двигателя.Передаточная функция по скольжению запишется:
/>.
Перейдем к определению настроек регуляторов. Для этого для началасинтезируем сам двигатель. Для двигателя переменного тока передаточная функция вобщем случае можно записать в виде произведения апериодического звена первого порядкаи интегрирующего звена:
/>; (8.4)
где />, />;
β — жесткость механической характеристики.
/>; (8.5)
где ωном — номинальная скоростьэлектродвигателя;
Sном — номинальное скольжение;
Мном — номинальный момент двигателя, кг·м.
/>; (8.6)
Рассчитаем коэффициенты обратной связи по скорости и по току.
Кос — коэффициент обратной связи по скорости:
/>; (8.7)
Кот — коэффициент обратной связи по напряжению:
/>; (8.
Определим передаточную функцию преобразователя частоты вместес выпрямителем:
/>; (8.9)
Tn — постояннаявремени коммутации для транзисторов.
ОпределимWрн — передаточная функция регулятора тока;
/>; (8.10)
/>; (8.11)
/>; (8.12)
Схемная реализация регулятора тока на операционном усилителебудет выглядеть следующим образом:
/>
Рисунок.8.4 Принципиальная схема регулятора тока.
Данный регулятор одновременно является и сумматором, суммируясигнал обратной связи по току и выход регулятора скорости, который является заданиемдля регулятора тока. Для рассчитанных настроек регулятора определим номиналы элементовв регуляторе тока. Коэффициент усиления регулятора:
/>; (8.13)
Выбираем из ряда сопротивлений следующие резисторы: R1=100кОм, R2=R3=220кОм.
Время интегрирования:
/>; (8.14)
Тогда С1=430 нФ.
Резистор R4 служит для подстройки параметровПИ — регулятора. Двуханодный стабилитрон служит для ограничения регулирующего воздействияв пределах 12В.
Переходим к расчёту регулятора скорости. Определим Wрс — передаточная функция регулятора скорости;В качестве регулятора скорости также возьмем ПИ — регулятор, который обеспечиваетточность регулирования скорости в статическом режиме. Передаточная функция регулятораскорости
/>
где:
/>; (8.15)
Принципиальная схема регулятора скорости будет аналогична схемерегулятора тока. Только заданием для регулятора скорости служит выход задатчикаинтенсивности, а вместо Uoc по токуподается сигнал обратной связи по скорости. Рассчитаем номиналы элементов в регуляторескорости. Коэффициент пропорциональности регулятора скорости:
/>; (8.16)
Время интегрирования:
/>; (8.17)
Тогда номиналы элементов выберем следующие: R15=180кОм, R16=R17=120кОм,C13=330 мкФ.
Схема задающего устройства будет выглядеть следующим образом:
/>
Рисунок.8.5 Структурная схема задающего устройства.
где: Тф — постоянная времени фильтра. Рассчитывается исходя изтого, что
она должна быть равна от 0.1 до 0.05 времени переходного процесса.
Для нашего случая выбираем Тф=0.1
T — время разгона двигателя до номинальнойчастоты вращения. Т=2с.
K — максимальное напряжение на выходеисточника сигнала задания. Для нашего случая К=15.
Схемная реализация задачтика интенсивности будет выглядеть следующимобразом:
/>
Рисунок.8.6 Принципиальная схема задатчика интенсивности
Где номиналы элементов в соответствии со значениями параметровсистемы регулирования рассчитываются по следующим формулам:
/> /> />
Исходя из данных формул и в соответствии со значениями номинальногоряда напряжений, выбираем: R5=150кОм, R4=100кОм,R6=200кОм, C1=10мкФ, R7=100кОм, С2=1мкФ.
Подставим рассчитанные значения регуляторов и коэффициентов обратныхсвязей в структурную схему САУ и получим законченный вариант замкнутой системы электропривода:
Рассчитаем βз. с, который обеспечиваетчастоту вращения двигателя 1500 об/мин.
βз. с= />; (8.18)
Данные расчётов приведены в приложении II
Расчёт производится при помощи пакета Matlab 6.5, а моделирование переходных процессов в приложении Simulink пакета Matlab 6.5
Подставим рассчитанные значения регуляторов и коэффициентов обратныхсвязей в структурную схему САУ и получим законченный вариант замкнутой системы электропривода:
/>
Рис.8.6 Структурная схема системы регулирования.
/>
Рисунок.8.7 Структурная схема системы регулирования с параметрами.
/>
Рисунок.8.8 Переходная характеристика по скорости.
/>
Рисунок.8.9 Переходная характеристика электромагнитного момента.
С учетом того, что мы синтезировали астатическую систему управления,то статические характеристики системы при различных частотах питающего двигательнапряжения будут представлять собой горизонтально-расположенные линии в координатМ-w
/>
Рисунок.8.10. Статические характеристики СУЭП.
/>9. Моделирование переходныхпроцессов СУЭП за цикл работы, определение основных энергетических показателей(ΔР,COSφ). 9.1 Моделирование переходных процессов СУЭП за циклработы
Для расчета переходных процессов синтезируем схему: в ПриложенииII
/>
График переходных процессов скорости за цикл работы приведенна рис 9.1.
График переходных характеристик моментов за цикл работы приведенына рис.9.2:
/>
Рисунок 9.1.
/>
Рисунок 9.2. 9.2 Определение основных энергетических показателей(ΔР,COSφ)
Потери мощности в регулируемом электроприводе равны:
/>
где /> - потери мощности в механической передаче;
/> - потери мощности в электродвигателе.
/>.
Потери мощности в электродвигателе можно условно разделить напостоянные и переменные:
/>
Под постоянными, понимают потери не зависящие от нагрузки. Кним относятся: потери в стали, механические потери, вентиляционные потери, потерина возбуждение электродвигателя. Постоянные потери в действительности не являютсяпостоянными, а изменяются с изменением угловой скорости, частоты, напряжения, нопри работе двигателя на естественной характеристике их изменения незначительны.
Под переменными потерями понимают потери мощности, зависящиеот нагрузки.
При частотном управлении АД постоянные потери можно записатьв виде:
/>.
где /> - потери мощности в стали статора;
f, fном — текущее и номинальное значение частоты тока статора;
/> - механические потери мощности;
/> - потери мощности от протекания намагничивающеготока по обмотке статора;
m=1,4 — коэффициент зависящийот сорта электротехнической стали.
Переменные потери мощности при частотном управлении АД определяютсяиз соотношения:
/>.
Для построения графика переменных потерь, а также для определенияКПД двигателя за цикл работы и определения cosφ воспользуемся пакетом Simulink пакета Matlab 6.5,для этого синтезируем схему:
/>
Расчёты приведены в Приложении II
/>
Рисунок 9.4 Потери мощности за цикл работы
/>
Рисунок 9.5 COSφ за цикл работы
/>
Рисунок 9.6 КПД за цикл работы
/>10. Проектирование функциональнойсхемы ЭП. Расчет и выбор силовых элементов ЭП
В качестве устройства управления ЭП используем частотно регулируемыйпривод.
/>
Современный частотно регулируемый электропривод состоит из асинхронногоили синхронного электрического двигателя и преобразователя частоты (см. рис 8.1раздел 8).
Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическуюэнергию и приводит в движение исполнительный орган технологического механизма.
Преобразователь частоты управляет электрическим двигателем ипредставляет собой электронное статическое устройство. На выходе преобразователяформируется электрическое напряжение с переменными амплитудой и частотой.
В наиболее распространенном частотно регулируемом приводе наоснове асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются скалярное ивекторное частотное управление.
Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазонуправления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этотметод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя.
Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазонуправления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этотметод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя.
Вращающий момент определяется током статора, который создаетвозбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимоизменять кроме амплитуды и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлентермин «векторное управление».
Для управления вектором тока, а, следовательно, положением магнитногопотока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положениеротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчикаположения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другимпараметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжениястаторных обмоток.
Менее дорогим является частотно регулируемый электропривод свекторным управлением без датчика обратной связи скорости, однако векторное управлениепри этом требует большого объема и высокой скорости вычислений от преобразователячастоты.
Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых,близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электроприводабез обратной связи по скорости невозможна.
Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечиваетдиапазон регулирования до 1: 1000 и выше, точность регулирования по скорости — сотыедоли процента, точность по моменту — единицы процентов.
Вращающий момент определяется током статора, который создаетвозбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимоизменять кроме амплитуды и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлентермин «векторное управление».
Для управления вектором тока, а, следовательно, положением магнитногопотока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положениеротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчикаположения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другимпараметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжениястаторных обмоток.
Менее дорогим является частотно регулируемый электропривод свекторным управлением без датчика обратной связи скорости, однако векторное управлениепри этом требует большого объема и высокой скорости вычислений от преобразователячастоты.
Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых,близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электроприводабез обратной связи по скорости невозможна.
Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечиваетдиапазон регулирования до 1: 1000 и выше, точность регулирования по скорости — сотыедоли процента, точность по моменту — единицы процентов.
Преобразователь частоты — это устройство, предназначенноедля преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток(напряжение) другой частоты.
Выходная частота в современных преобразователях может изменятьсяв широком диапазоне и быть как выше, так и ниже частоты питающей сети.
Схема любого преобразователя частоты состоит из силовой и управляющейчастей. Силовая часть преобразователей обычно выполнена на тиристорах или транзисторах,которые работают в режиме электронных ключей. Управляющая часть выполняется на цифровыхмикропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а такжерешение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).
Преобразователи частоты, применяемые в регулируемом электроприводе,в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса:
Преобразователи частоты с явно выраженным промежуточным звеномпостоянного тока.
Преобразователи частоты с непосредственной связью (без промежуточногозвена постоянного тока).
Преобразователи частоты на тиристорах в настоящее время занимаютдоминирующее положение в высоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатти до десятков мегаватт с выходным напряжением 3 — 10 кВ и выше. Однако их цена наодин кВт выходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей.
Для нашей схемы мы выбрали частотный привод марки ПСТМодель Номинальное напряжение, В Номинальный ток, А Номинальная мощность двигателя, кВт Цена с НДС, (руб) ПСТ-3-30 380 60 30 48 600
/>
Преобразователи частоты серии ПСТ предназначены для управленияскоростью вращения трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротороммощностью от 0.75 до 250 кВт с питанием от сети переменного тока напряжением 380Вчастотой 50 Гц.
Характеристики:
Параметр Значение
Напряжение питания трехфазное 380 В±15%, 50 Гц
Диапазон мощностей 0.75-280 кВт
Диапазон выходной частоты 0-400 Гц
Точность управления Цифровая настройка: 0.01 Гц, аналоговаянастройка: максимальная точность 0.4 Гц
Тип управления Векторный контроль, скалярное управление (U/F)
Функции защиты Защита от обрыва фазы, пониженногонапряжения, перегрузок по току и напряжению, генераторного перенапряжения, перегрева.
Основные функции:
2 вольтчастотные (U/F) характеристики: линейная и квадратичная(для нагрузки с вентиляторным моментом на валу);
Возможность задания собственной вольт-частотной характеристики
Автоматическая настройка напряжения
Динамическое торможение постоянным током
Встроенный ПИД регулятор
Автоматическое управление (возможность программирования выходнойчастоты согласно потребностям технологического процесса)
Возможность пропуска резонансной частоты (необходимо для исключенияскоростей приводящих к механическому резонансу)
Автоматический подхват вращающегося двигателя
Возможность подключения к компьютеру
Входы\выходы:
2 аналоговых входа (0 ~ 10 В, 2 ~ 20 мА)
8 программируемых входов управления
1 релейный и 2 колекторных выхода
1 аналоговый выход
Устройства плавного пуска
Для нашей схемы мы выбрали частотный привод марки ПТ2Б-30Модель Номинальный ток, А Номинальная мощность двигателя, кВт Цена с НДС, (руб) ПТ2Б-30 60 30 14500
/>
Устройства серии ПТ2Б представляют собой универсальные системыплавного пуска трёхфазных асинхронных двигателей мощностью от 5,5 до 400 кВт.
Достоинства:
Защита от пропадания фазы, перегрузки, короткого замыкания, перегрева
Возможность подключения к компьютеру через интерфейс RS485
Простота установки и подключения
Простая настройка через цифровую панель
Ограничения пускового тока заданным уровнем
Режим толчкового пуска
Характеристики:
Напряжение питания: 380 В ±20%, 50 Гц
Номинальный ток: 12 ~ 630 А
Мощность управляемого двигателя: 5.5 ~ 400 кВт
Пуск: ограничение пускового тока (1Iн- 4Iн), время плавного пуска (1-60 секунд)
Остановка: свободная остановка, время плавной остановки (1-60секунд)
Функции защиты: пропадание фазы, перегрузка, короткое замыкание,перегрев.
Выбор и расчет датчика скорости.
В данной системе ЭП скорость вращения ротора двигателя измеряласьс помощью тахогенератора. Из электротехнического справочника выбираем тахогенераторАТ-261 со следующими техническими данными:
Частота вращения 3000 обр/мин
Напряжение возбуждения 110В
Ток возбуждения 0,35А
Крутизна Uвых 4,8÷5,8мВмин/обр
Схема датчика представлена на рис.13.
/>
Рис.10.1. Структурная схема датчика скорости.
Порядок расчета датчика следующий.
Рассчитывают напряжение на выходе тахогенератора при работе двигателяпостоянного тока с частой, равной частоте вращения при идеальном холостом ходе,В:
/>, (10.1)
Рассчитывают делитель напряжения: входное напряжение делителяUвх=Uтг, В, а выходное напряжение — Uвых=Uз. скор. мах:
/>, (10.2)
где Uз. скор. мах — максимальное напряжение задания скоростив САУ.
/>
Рис.10.2. Датчик скорости на основе тахогенератора.
Выбирают из справочника резисторы, а затем уточняют значениевыходного напряжения датчика скорости по формуле
/>, (10.3)
Рассчитаем напряжения:
/>
Входное напряжение делителя
/>,
Выбираем из справочника резисторы МЛТ-0.1-3.6Ом и МЛТ-0.1-2.7Ом.
Принципы построения систем управления автономным" инверторами.Системы управления преобразователями частоты с промежуточным звеном постоянноготока в большинстве случаев содержат систему управления выпрямителем, систему управленияавтономным инвертором и блок регулирования, осуществляющий регулирование частотыи напряжения в соответствии с принятыми законами частотного регулированиях [1].
Системы управления выпрямителями выполняются по тем же схемам,что и соответствующие системы для управляемых выпрямителей. Системы управления автономнымиинверторами, как правило, соответствуют структурной схеме, приведенной на рис.10.3,и содержат задающий генератор U, распределитель импульсов UA и усилители-формирователиуправляющих импульсов AD.
/>
Рисунок.10.3. Структурная схема системы управленияавтономным инвертором.
В нестоящее время наиболее перспективными являются системы управления,выполненные на базе интегральных микросхем. При этом удается ие только резко сократитьгабариты системы, но и существенно упростить технологию сборки и наладки схем, атакже повысить их надежность.
Поэтому рассмотренные ниже примеры практической реализации различныхблоков системы управления предполагают использование современных интегральных микросхем.
/>
Рис.10.4 Схема задающего генератора.
Элемент U преобразует напряжения управления, снимаемыес выхода блока регулировании (или непосредственно с выхода компарата, если блокрегулирования отсутствует), в частоту следования управляющих импульсов. Частотавыходных импульсов U однозначно определяет частоту выходного напряжения преобразователя.На рис.10.4 показан пример выполнения схемы U. В схеме используется операционныйусилитель А, работающий в режиме интегрирования управляющего напряжения,и триггер Шмидта D, который срабатывает, когда напряжениена выходе А достигнет порогового значения. После срабатыванияD на вход А через резистор /> подается напряжениеобратной полярности по отношению к напряжению управления, что приводит к быстромуразряду конденсатора. В связи с этим А возвращается в исходноеположение и цикл работы повторяется. Если пренебречь временем разряда конденсаторапо сравнению с временем его заряда, то частоту U можно определить по следующейформуле где UD-напряжение переключения D.
На выходе U формируются положительные импульсы,длительность которых равна. времени разряда конденсатора.
Распределитель импульсов UA предназначендля преобразования однофазных импульсов U в шестифазную системуимпульсов, необходимую для управления тиристорами мостового инвертора. Кроме того,с помощью UA обеспечивается постоянная относительная длительностьимпульсов независимо от рабочей частоты (чаще всего для управления тиристорами мостовогоинвертора используются импульсы шириной 120°). и А выполняется,как правило, по кольцевой пересчетной схеме, которая распределяет импульсы U по шести каналам. При этом частота импульсов Uдолжна быть в 6 раз выше частоты выходных импульсов UА или,что то же самое, частоты выходного напряжения инвертора. Одна из возможных схемUA приведена на рис.10.5, а. Она содержиттрн J-K триггера (D1-D3) и шесть элементов И-НЕ (D4-D9). На синхронизирующие входы триггеров приходят одновременновыходные импульсы U. Наличие перекрестных связей с выходовна входы триггеров приводит к тому, что триггеры переключаются поочередно с приходомзапускающего импульса от U.
/>
Рисунок.10.5. Схема распределителя импульсов (а) и диаграмманапряжений (б).
Диаграмма напряжений на прямых и инвертирующих выходах триггеровпоказана на рис.10.5, б. С помощью D4-D9 формируются импульсыдлительностью 120°. В качестве элементов И-НЕ (D4-D9) желательновыбирать элементы с повышенной нагрузочной способностью с тем, чтобы их выходныеимпульсы можно было непосредственно подавать на входы усилителей-формирователейбез какого-либо промежуточного усиления.
Усилители-формирователи AD управляющихимпульсов предназначены для усиления по мощности выходных импульсов UА их потенциального разделения, что необходимо для управления тиристорамимостового инвертора. Поэтому AD кроме ключевых транзисторовсодержат, как правило, импульсные трансформаторы. С целью уменьшения габаритов импульсныхтрансформаторов для обеспечения возможности формирования широких управляющих импульсов.
Расчет тиристоров.
Среднее значение выпрямленного напряжения:
/>.
где /> - значение выпрямленного напряженияпри угле управления α=0; /> - коэффициент схемы по ЭДС.
Ud=Ud0=2,34∙220=514.8В.
Номинальный ток двигателя Iф, н=56.12А.
Среднее и действующее значения /> и /> тока через тиристор, А:
/>/>
/>
Необходимо, чтобы выполнялось соотношение:
/>;
где /> - коэффициент, учитывающий отклонениеусловий работы вентиля от номинальных.
Значения /> принимают из меньших значений, еслиусловия работы выпрямителя лучше.
/> - коэффициент, запаса по току в рабочемрежиме.
/>.
Максимально допустимое напряжение, прикладываемое к вентилю всхеме преобразователя не должно превышать допустимого значения повторяющегося импульсногонапряжения, определяющего класс вентиля по напряжению:
/>;
где /> - коэффициент запаса по напряжению;
/> - коэффициент, учитывающий повышениенапряжения сети;
/> - максимальное значение напряженияна вентиле.
Для трех фазной мостовой схемы выпрямления:
/>
kз. и ∙kс ∙Uобр.м=1,3∙1,1∙930,806=1331В.
С учетом перегрузочной способности из справочника выбираем тиристорыТ131-40 со следующими параметрами:
/>
Расчет и выбор силовых полупроводниковых приборов выпрямителя
Номинальный ток двигателя Iф, н=56.12А.
а) среднее значение тока вентиля
/>
б.) действующее значение тока вентиля
/>
в.) коэффициент формы тока
/>
г.) условие выбора диодов по току
/>
где: Кzo — коэффициент запаса по охлаждению,Кzo=0,9;
Кzpi — коэффициент запаса по рабочему току,Kzpi=1,3;
Ifav — максимально допустимый средний ток призаданных условиях,
Ifav = Ia = 37.4
Ifavmax — максимально допустимый средний ток;
/>
д) максимальное напряжение на вентиле
Uвmax=Кео Кс КрЕdo
где Кео — кратность напряжений, для трехфазноймостовой схемы
Кео=1,045;
Кс — коэффициент схемы, для трехфазной мостовойсхемы Кс=1,1;
Кр — кратность мощностей, для трехфазной мостовойсхемы Кр=1,05;
Еdo — выпрямленная ЭДС;
/>
где Ке — кратность напряжений, для трехфазноймостовой схемы Ке=0,427;
Ufc — напряжение фазное сети, Ufc=220В;
/>,
/>.
Выбираем диод 2Д230Ж
Iпр. ср. мах = 60 А;
Uобр. и пр. мах = 800 В.
Выбор элементной базы регуляторов и задатчика интенсивности.
Задатчик интенсивности и регуляторы построены на ОУ типа К140УД7со следующими параметрами:
Коэффициент усиления: 50000.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала: 70дб.
Напряжение смещения: 4мВ.
Напряжение питания: от 5 до 20В.
Потребляемый ток: 3мА.
Все сопротивления выбираем типа МЛТ-0,125 с номиналами, рассчитаннымидля соответствующих схем.
Конденсаторы выбираем типа К10-17-25В с соответствующими рассчитанныминоминалами.
Датчик тока.
В системах автоматического управления электроприводом сигналы,пропорциоанальные току, снимаются с шунтов, трансформаторов тока. Эти сигналы используютсякак в чистом виде, так и преобразованные для выделения сигналов, соответствующихЭДС, мощности, потоку и т.д.
Основными проблемами при создании датчиков тока и напряженияявляются проблемы гальванического разделения силовых цепей и цепей управления, проблемыобеспечения высокого быстродействия и точности.
Устройства потенциальной развязки бывают двух типов:
трансформаторные, типа модулятор — демодулятор;
оптоэлектронные с модуляцией светового потока и линейные.
В нашей системе управления электроприводом сигналы тока, снимаютсяс помощью трансформаторов тока ТЛ-10 в нагрузку которых включено сопротивление МЛТ-0,125-1.2Ом.Далее эти сигналы поступают на неуправляемый трехфазный выпрямитель, где преобразуютсяв пропорциональный току сигнал напряжения. Далее сигнал поступает на блок гальваническойразвязки, реализованный на оптроне.
Номиналы на регуляторах задаются исходя из их настроек. Все ОУприменяемые в схеме регулирования марки LM101AПоз. обозначение Наименование Кол-во Примечание VD1 — VD6,VD7, VD10,VD11,VD14, VD15, VD18 Тиристор 131-40 18 Резистор R1 МЛТ-0,125-100KОм 1 R2=R3 МЛТ-0,125-220KОм 2 R4 МЛТ-0,125-1МОм 1 R6-R8 МЛТ-0,125-1Ом 3 R9 МЛТ-0,125-36кОм 1 R10 МЛТ-0,125-1кОм 1 R12 МЛТ-0,125-1кОм 1 R13 МЛТ-0,125-0.36МОм 1 R14 МЛТ-0,125-0.36МОм 1 R15 МЛТ-0,125-180 KОм 1 R16-R17 МЛТ-0,125-220KОм 3 R18 МЛТ-0,125-200KОм 1 R19 МЛТ-0,125-100KОм 1 R20 МЛТ-0,125-150кОм 1 R21 МЛТ-0,125-100кОм 1 R23-R24 МЛТ-0,125-1МОм 2 Конденсатор С1 К10-17-25В-10нФ 1 С2-C7 К10-17-25В-0.1нФ 6 С8 К10-17-25В-1мкФ 1 С9 К10-17-25В-0.1нФ 1 С10 К10-17-25В-100нФ 1 С11 К10-17-25В-10мкФ 1 С12 К10-17-25В-1мкФ 1 С13 К10-17-25В-330мкФ 1 С14 К10-17-25В-430нФ 1
VD8-VD9-VD12
VD13-VD16 — VD17 2Д230Ж 1 Операционный усилитель DA1.1-1.6 LM101A 6
Заключение
Целью данного курсового проекта являлась разработка автоматизированногоэлектропривода центрифуги. Исходя из требуемых данных, была рассчитана мощностьдвигателя. Для обеспечения требуемого технологического режима была синтезированасистема управления электродвигателем. Данная система является системой векторногоуправления. Для неё были рассчитаны параметры регуляторов. Система была промоделированав Simulink пакета Matlab6.5 В процессемоделирования мы выяснили, что рассчитанная система удовлетворяет заданным требованиям.
При выполнении курсового проекта использовались пакеты Matlab6.5, MathCAD 13.
/>/>Список используемой литературы
1. Справочник по автоматизированному электроприводу // Под редакцией ЕлисееваВ.А., Шинянского А.В. — М.; «ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ», 1983г. «Химия»,1978г.
2. Иванов Г.М., Онищенко Г.Б. Автоматизированный электропривод в химическойпромышленности. — М.; «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 1975г.
3. Анхимюк В.Л., Опейко О.Ф. Теория автоматического управления — Мн.;«Дизайн ПРО», 2002г.
4. Коновалов Л.И., Петелин Д.П. — Элементы и системы автоматики. — М.;«Высшая школа», 1985г.
5. Сабинин Ю.А., В.А. Грузов. — Частотоно — регулируемые асинхронные электроприводы.- Л., «ЭНЕРГОИЗДАТ», 1985г.
6. Фираго Б.И., Павлячик Л.Б. — Теория электропривода. — М., «Техноперспектива»,2004г.
Приложения
Приложение I
clc,clear,clf
mm=2; mp=1.4; mi=7;
snom=0.02;
n0=1500; nnom=n0-n0*snom;fnom=50;
Pnom=30000; KPDnom=0.91;cos_fi_nom=0.81;
w0=pi*n0/30; wnom=pi*nnom/30;Unom=220;
Mnom=Pnom/wnom;
Jep=2.44;
A1= (mm-1) *mp/ (mm-mp);
sk= (snom+sqrt (snom*A1))/ (1+sqrt (snom*A1));
Ks= (mp/mm* (1/sk+sk)- 2) / (1-sk^2);
I_1nom=Pnom/ (3*Unom*KPDnom*cos_fi_nom);
I_puska=mi*I_1nom;
Zk=Unom/I_puska;
M_puska=mp*Mnom;
k1=90*Unom^2/ (pi*n0);
R22=M_puska*Zk^2/k1;
j=0.3;
cos_fi_puska=cos_fi_nom*(mp*KPDnom/ (mi* (1-snom)) +j* (1-KPDnom));
sin_fi_puska=sqrt(1-cos_fi_puska^2);
R1=Zk*cos_fi_puska-R22;
Xk=Zk*sin_fi_puska;
X22=Xk/2;
X1=X22;
sin_fi_nom=sqrt (1-cos_fi_nom^2);
I0=I_1nom* (sin_fi_nom-snom/sk*cos_fi_nom);
I22=Unom/sqrt ( (R1+R22/snom)^2+ (R22/sk) ^2);
Xm=sin_fi_nom*Unom/I0-X1;
w=0: 1: 4*w0;
v=w/w0;
s=1-v;
K1=Mnom*mm;
q= [1798 946 4600]
K2=2;
K3= (s. /sk+sk. /s);
M=K1. *K2. /K3;
w00= [18.84 129.8 7.33];
%f= [12 82 5];
%a=f/fnom;
a= [0.24 1.64 0.1]
s1=a (1) — v;
K2a=2;
K1=q (1);
K3a= (s1. /sk+sk. /s1);
M1=K1. *K2a. /K3a;
s1=a (2) — v;
K2a=2;
K1=q (2);
K3a= (s1. /sk+sk. /s1);
M2=K1. *K2a. /K3a;
s1=a (3) — v;
K2a=2;
K1=q (3);
K3a= (s1. /sk+sk. /s1);
M3=K1. *K2a. /K3a;
S=0.0166;
s=0.008;
I3=sqrt ( ( (I_1nom^2-I0^2)*Mnom*S) / (Mnom*s) +I0^2);
vk=R22/ (X22+Xm);
Ie=sqrt (2/3) *I3;
Mk=-2* (3*Ie^2*Xm^2)/ (2*w0* (X22+Xm));
M4=2. *Mk. / (v. /vk+vk./v);
%figure (1)
plot (M1,v,'k',M2,v,'k',M3,v,'k',M,v,'k'),gridon
axis ([-40 5000 0 2])
xlabel ('M, H*m');
ylabel ('s, %')
figure (2)
plot (M4,w,'k'),gridon
axis ([-500 4 0 200])
xlabel ('M, H*m');
ylabel ('w, rad/s')
Приложении II
clc,clear
format compact
mm=2.2; mp=1.4; mi=7;snom=0.02;
n0=1500; nnom=n0-n0*snom;fnom=50;
Pnom=30000; Unom=220;KPDnom=0.91; cos_fi_nom=0.89;
w0=pi*n0/30
wnom=pi*nnom/30
Mnom=Pnom/wnom
U_l_nom=sqrt (3) *Unom
Jep=2.44;
p=4
A1= (mm-1) *mp/ (mm-mp)
sk= (snom+sqrt (snom*A1))/ (1+sqrt (snom*A1))
Ks= (mp/mm* (1/sk+sk)- 2) / (1-sk^2)
M_dv_max=0.9^2*mm*Mnom
M_dv_puska=0.9^2*mp*Mnom
Mmax=Mnom*mm
I_1nom=Pnom/ (3*Unom*KPDnom*cos_fi_nom)
I_puska=mi*I_1nom
Zk=Unom/I_puska
M_puska=mp*Mnom
k1=90*Unom^2/ (pi*n0)
R22=M_puska*Zk^2/k1
j=0.3
cos_fi_puska=cos_fi_nom*(mp*KPDnom/ (mi* (1-snom)) +j* (1-KPDnom))
sin_fi_puska=sqrt(1-cos_fi_puska^2);
R1=Zk*cos_fi_puska-R22
Xk=Zk*sin_fi_puska
X22=Xk/2
X1=X22
sin_fi_nom=sqrt (1-cos_fi_nom^2)
I0=I_1nom* (sin_fi_nom-snom*cos_fi_nom/sk)
I22=Unom/sqrt ( (R1+R22/snom)^2+ (Xk) ^2)
dP0=Pnom* (1-KPDnom)/KPDnom-3* (I_1nom^2*R1+I22^2*R22) — 0.0005*Pnom
cos_fi_0=dP0/ (sqrt(3) *U_l_nom*I0)
sin_fi_0=sqrt (1-cos_fi_0^2);
Xm=Unom*sin_fi_0/I0-X1
dPst=0.02*Pnom/KPDnom
Rm=dPst/ (3*I0^2)
Te=1/ (2*pi*fnom*sk)
Tm=Jep* (w0-wnom) /Mnom
b=Mnom/ (wnom*snom)
Koc=10/wnom
Kt=10/Mnom
Tn=0.005;
Km1=Mnom/I_1nom
Km2=Mnom/I0
Km3=Mnom/I22
Ku=Unom/wnom