Главная Контакты В избранное
  • Курсовая работа "Расчет электрического привода с учетом всех переходных процессов при пуске, торможении и изменения режимов работы двигателя"

    АвторАвтор: student  Опубликовано: 20-09-2017, 20:35  Комментариев: (0)


     

     

    Содержание

     

    Введение ……………………………………………………………………

    1. Расчёт и выбор мощности двигателя ……………………………….

    2. Проверка двигателя по нагреву ………………………………………..

    3. Электромеханические свойства электропривода ……………………..

    4.Функциональная схема электропривода ……………………………….

    5. Выбор элементов электропривода ……………………………………..

    5.1 Тиристорный преобразователь …………………………………..

    5.2 Силовой трансформатор ……………………………………….

    5.3 Расчёт параметров объекта регулирования ……………………..

    6. Структурная схема САР ………………………………………………..

    7. Исследования системы управления ЭП на устойчивость

    Заключение …………………………………………………………………

    Список используемой литературы ……………………………………….

     

     

    5

    6

    8

    12

    17

    18

    18

    19

    21

    24

    28

    29

    30

     

     

     

    Введение

     

    С развитием автоматизации в промышленности широкое распространение получает электрический привод. Практически все процессы, связанные с движением, при котором используется механическая энергия, осуществляются электроприводом. Его применение объясняется целым рядом его преимуществ по сравнению с другими видами приводов: использование электрической энергии, распределение и преобразование которой в другие виды энергии, в том числе и в механическую, наиболее экономично; большой диапазон мощности и скорости движения; разнообразие конструктивного исполнения; высокий КПД и экологическая чистота.

    Электропривод - главный потребитель электрической энергии. В развитых станах на долю электропривода приходится свыше 60 % всей вырабатываемой электроэнергии. Большинство производственных рабочих машин и механизмов приводится в движение электрическими двигателями. Электродвигатель вместе с механическими устройствами, служащими для передачи движения рабочему органу машины, а так же с устройствами управления и контроля образуют управляемую электромеханическую систему.

    Электрический привод представляет собой электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочего органа машины и управления техническим процессом. Современный электрический привод состоит из: преобразовательного устройства, электродвигателя, передаточного устройства и аппаратуры управления.

    Преобразователь служит для преобразования 3-х фазного переменного тока в другой род тока с изменение его параметров (частота, напряжение и др.).

    Электродвигатель нужен для преобразования электрической энергии в механическую.

    Передаточное устройство предназначено для согласования скоростей двигателя и рабочей машины.

    Аппаратура управления служит для управления процессом преобразования энергии.

    По системе управления различаются: электроприводы с разомкнутой и замкнутой системой управления.

    В механическом движении участвуют: подвижная часть двигателя, элементы передаточного устройства и рабочий механизм.

    Задача оптимального управления электрическим приводом имеет две существенно различные постановки. Первая из них относится к так называемой задаче стабилизации, в которой интересуются поведением управляемого механизма в установившемся режиме или режиме слежения. Вторая относится к процессам управления, в которых рабочий механизм переводится из одного состояния в другое, при условии достижения максимума (минимума) какого – либо заранее заданного критерия качества. Последнюю принято называть задачей оптимального управления.


    1 Расчет и выбор мощности двигателя

     

    Двигатель, в соответствии с заданием, работает при повторно- кратковременном режиме. Для предварительного выбора мощности двигателя, воспользуемся методом эквивалентного момента, т.к. считаем, что магнитный поток не изменяется. Вычислим эквивалентный момент по формуле:

    (1.1)

    При выборе двигателя из серии, предназначенного для повторно-кратковременных режимов, условия ухудшения охлаждения учитываются при определении фактической продолжительности включения:

    (1.2)

    Эквивалентный момент при стандартном значении продолжительности включения определяется:

    (1.3)

    где ПВс=15,25,40,60%.

    Требуемая мощность двигателя:

    (1.4)

    где ωдв – скорость вращения двигателя.

    (1.5)

    где скорость вращения механизма, с-1.

    где i – передаточное число редуктора, принимаем i=1.

    По каталогу выберем двигатель ближайший к расчётной мощности и скорости, при соблюдении условии:

    ,

    37000≥32523,93

    1060≥1000

    Его данные приведены в таблице 1.

     

    Таблица 1 – Двигатель постоянного тока серии 2ПН

     

    PH,

    кВт

    Uн,

    В

    nH,

    об/мин

    nmax,

    об/мин

    ,

    %

    Rя,

    Ом

    Rдп,

    Ом

    Rов,

    Ом

    Lя,

    мГн

    Jдв, кг*м2

    37

    220

    1060

    2500

    85

    0,035

    0,019

    28,7

     

    0,48

     

    Выбранный двигатель при этом должен соответствовать по роду и величине напряжения сетям переменного или постоянного тока данного механизма; по конструктивному исполнению – условиям его компоновки с исполнительным органом и способом крепления на рабочей машине, и по способу вентиляции и защиты от действия окружающей среды – условиям его работы. После выбора двигателя, произведём перерасчёт передаточного числа редуктора.

    (1.6)


    2 Проверка двигателя по нагреву

     

    При проектировании предварительно выбранный двигатель должен быть проверен на нагрев и по нагрузке. Для этого построим тахограмму ω=f(t), изображённую на рисунке 1, рассчитав время разгона и торможения двигателя.

     

     

    Рисунок 1 – Тахограмма

     

    Рассчитаем коэффициент двигателя:

    (2.1)

    где U – номинальное напряжение на двигателе, В;

    номинальная скорость двигателя.

    Определим номинальный момент и ток якоря двигателя:

    (2.2)

    (2.3)

     

    Суммарный момент инерции привода, приведённого к валу двигателя, рассчитаем с учётом момента инерции механизма:

    (2.4)

    где (1,1 1,2) – коэффициент, учитывающий момент инерции редуктора;

    Jмех – момент инерции вращающихся частей механизма, ;

    Jдв – момент инерции двигателя.

    Для определения времени пуска, замедления и построения нагрузочной диаграммы M=f(t) обычно задаются средними пусковым Мп и тормозным Мтмоментами, из уравнения определяем:

    (2.5)

    На рисунке 2 представлена нагрузочная диаграмма М=f(t).

     

     

    Рисунок 2 – Нагрузочная диаграмма

     

    Величина этих моментов принимается равной:

    (2.6)

    где максимальный допустимый момент двигателя;

    λ=2,5 – перегрузочная способность двигателя постоянного тока;

    Δω – изменение скорости при пуске и торможении.

     

    Зная диапазон регулирования скорости, найдём максимальную и минимальную скорости вращения механизма.

    С учётом времени пуска, торможения, установившегося движения и паузы построим диаграмму токов I=f(t),представленную на рисунке 3, учитывая, что пусковой и тормозной токи определяются:

    (2.7)

     

     

    Рисунок 3 – Диаграмма токов

     

    При действии статического момента на валу двигателя:

    (2.8)

    Для самовентилируемых двигателей необходимо учитывать ухудшение условий охлаждения двигателей при пуске и торможении, а так же во время паузы:

    (2.9)

    где α=0,75 – коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения при работе двигателя с пониженными скоростями;

    β=0,5 – коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения при работе двигателя во время паузы.

    Выбранный двигатель будет проходить по нагреву, если:

    Выбранный двигатель по нагреву проходит.

    Проверка двигателя постоянного тока на кратковременную нагрузку заключается в сравнении наибольших величин тока и момента двигателя, которые находятся по нагрузочным диаграммам с максимально допустимыми значениями тока и момента для выбранного двигателя.

    где Мcmax, Icmax – максимальные значения момента и тока в нагрузочных диаграммах;

    λ – коэффициент перегрузки двигателя.

    Двигатель на кратковременную нагрузку проходит.

     


    3 Электромеханические свойства электропривода

     

    Электромеханические свойства электроприводов наиболее полно и наглядно отражаются с помощью электромеханических ω=f(I) и механических ω=f(M) характеристик двигателей в электроприводе:

    а) Для построения естественной механической характеристики двигателя воспользуемся уравнением:

    (3.1)

    (3.2)

    Скорость идеального холостого хода:

    (3.3)

    По координатам точек холостого хода и номинального режима строим естественную механическую характеристику, представленную на рисунке 4.

     

    б) Реостатные характеристики, изображённые также на рисунке 5, построим при дополнительных сопротивлениях , равных 0,2;0,4;1;1,6 от номинального сопротивления якоря двигателя.

    Скорость идеального холостого хода не зависит от сопротивления в цепи якоря двигателя.

    Падение скорости на реостатных характеристиках при номинальном моменте:

    (3.4)

    Изменение скорости вращения:

    (3.5)

    Данные расчётов сведём в таблицу 2.

    Искусственные механические характеристики изображены на рисунке 4.

     

    Таблица 2

     

    Rn, Ом

    0,2∙Rя

    0,4∙Rя

    1∙Rя

    1,6∙Rя

    Rя+Rn, Ом

    0,007

    0,014

    0,0035

    0,056

    Δω, с-1

    3,8

    4,4

    6,4

    8,3

    ω, с-1

    110,8

    110,2

    108,2

    106,3

     

     

    Рисунок 4 – Естественная и искусственные механические характеристики.

     

    в) Построение механических характеристик двигателя в режиме динамического торможения производим, когда якорь замкнут накоротко на сопротивление торможения. Управление механической характеристики в режиме динамического торможения.

     

    (3.6)

    где Rт=0,6∙Rя; Ф=Фн.

    Данную характеристику, изображённую на рисунке 5, можно построить по двум точкам с координатами:

    1) ω=0 и М=0

    2) и

     

    Рисунок 5 – Механическая характеристика двигателя в режиме динамического торможения

     

    г) Построение механических характеристик при пониженном напряжении произведём с учётом U=0,5∙Uн при Ф=Фн, тогда:

     

    (3.7)

     

    и ослаблении магнитного потока Ф=0,75∙Фн приU=Uн, тогда:

     

    (3.8)

     

     

    Механические характеристики при понижении напряжения и при ослаблении магнитного потока изображены на рисунке 6.

     

    д) Для построения механических характеристик при изменении температуры, учитываем температурную зависимость сопротивления.

    (3.9)

    где Rя – номинальное сопротивление двигателя, Ом;

    tк – конечная температура нагрева двигателя;

    tн – начальная температура двигателя;

    α – температурный коэффициент;

    tк=80°C; tн=20°С; α=0,01.

    Номинальное значение ЭДС двигателя с учётом сопротивления Rt, будет определяться:

    (3.10)

     

    Изменится коэффициент двигателя:

     

    (3.11)

     

    Подставляя полученные значения в формулу (3.1), получим механическую характеристику с учётом нагрева обмоток двигателя, изображённую на рисунке 6.

    (3.12)

     

     

    Рисунок 6 – Механические характеристики при понижении напряжения и при ослаблении магнитного потока, и с учётом нагрева обмоток двигателя.
    4 Функциональная схема элетропривода

     

    Функциональная схема необходима для того, чтобы выяснить, какие функциональные блоки необходимы для реализации системы электропривода. Функциональная схема содержит блоки преобразования силовой энергии, двигатель, измерительные преобразователи, согласующие устройства, функциональные преобразователи, блоки управления, датчики. По функциональной схеме определяют, какие блоки необходимо использовать при составлении структурной схемы ЭП. Функциональная схема позволяет определить, как проходит по схеме силовая энергия (энергия, необходимая для выполнения технологического процесса) и по каким элементам схемы проходит сигнал управления. Функциональная схема электропривода изображена на рисунке 7.

     

    ~

    ТП

    РТ

    РС

    ДТ

    РМ

     

    ТГ

    ДС

    Uз

    Uрс

    Uрт

    Uу

    - Uос

    - Uст

    Rш

     

     

    Рисунок 7 – Функциональная схема электропривода

    5 Выбор элементов электропривода

     

    5.1 Выбор тиристорного преобразователя

     

    Прежде чем приступить к выбору ТП, необходимо решить вопрос о способе подключения преобразователя к сети переменного тока или через трансформатор, или непосредственно к сети через токоограничивающие реакторы.

    Силовые цепи ТП питаются от трёхфазной цепи переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 0,19; 0,38; 0,415 кВ при помощи преобразователя до 250кВт, или от сети напряжением 6; 10 кВ±5% при мощности свыше 250 кВт.

    Также необходимо решить вопрос о том, какой должен быть преобразователь – нереверсивный или реверсивный.

    При выборе ТП необходимо руководствоваться следующим: номинальные значения напряженияUdн, и тока Idн преобразователя должны быть больше или равны номинальным значениям напряжения Uном и тока двигателя, т.е

    230 220

     

    200 168,4

    Исходя из вышеизложенного, выбираю тиристорный преобразователь типа АТР – 200/230 – 1Р. На рисунке 8 изображена встречно-параллельная нулевая схема реверсивного тиристорного преобразователя.

     

     

    Рисунок 8 – Встречно-параллельная нулевая схема реверсивного тиристорного преобразователя

    5.2 Выбор силового трансформатора

     

    При расчёте мощности и выборе трансформатора исходными являются следующие основные величины:

    1) Номинальное выпрямленное напряжение и ток преобразователя;

    2) Напряжение питающей сети;

    3) Допустимые колебания напряжения сети;

    4) Число фаз первичной и вторичной обмоток трансформатора;

    5) Частота сети.

    Расчёт следует начинать с требуемого вторичного напряжения трансформатора:

    (5.2.1)

    где Ксх – коэффициент, зависящий от схемы выпрямления (см.табл.4).

     

    Таблица 4 – Расчетные коэффициенты схемы выпрямления

     

    Схема выпрямления

    Коэффициенты

    в

    Трёхфазная нулевая

    1,17

    1

    0,007

    0,0148

    0,0085

    1,345

    Трёхфазная мостовая

    2,34

    2

    0,0025

    0,0052

    0,0043

    1,045

     

    Максимально – расчётное значение выпрямленной ЭДС Ed0в режиме непрерывного тока определяется:

    (5.2.2)

    где номинальное значение ЭДС двигателя;

    номинальное значение выпрямленного тока преобразователя;

    активное сопротивление двигателя с учётом сопротивления якоря, компенсационной обмотки и добавочных полюсов, приведённое к рабочей температуре 800С.

    , Ом (5.2.3)

    где минимальный угол регулирования;

    падение напряжения на тиристоре ( );

    коэффициент, учитывающий индуктивность сети переменного тока;

    напряжение к.з. и потери меди трансформатора;

    коэффициент, зависящий от схемы выпрямления;

    расчётные коэффициенты;

    возможные колебания напряжения сети ( ).

    При определении необходимо предварительно задаться следующими величинами: .

    В случае, когда к проектируемому электроприводу предъявляются высокие требования в отношении быстродействия при отработке разного рода возмущений за счёт изменения напряжения преобразователя в величину следует принять порядка . Если особых требований в отношении динамических показателей ЭП не предъявляется, значение можно принять .

    Величина определяется соотношением мощности системы ТП-Д и питающей сети. Если мощности соизмеримы, то обычно выбирается в пределах . Это относится к мощным приводам. При проектировании маломощных и средней мощности электрических приводов величину уменьшают до .

    Расчётная мощность трансформатора определяется по формуле:

    (5.2.4)

    где коэффициент, зависящий от схемы выпрямления (см.табл.4).

    При выборе трансформатора необходимо руководствоваться полученным значением мощности S, а вторичного фазного напряжение , а также заданным значением первичного напряжения частоты сети, числа фаз первичной и вторичной обмоток.

    Полное сопротивление фазы трансформатора, приведённое ко вторичной обмотке:

    (5.2.5)

    где линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора.

    Активное сопротивление фазы трансформатора:

    (5.2.6)

    где m – число фаз обмотки трансформатора.

    Значения , берутся из технических данных выбранного трансформатора. Индуктивное сопротивление фазы трансформатора определяется:

    (5.2.7)

    Индуктивность фазы трансформатора:

    (5.2.8)

     

    Выберем по справочнику трансформатор согласно расчётной мощности и сведём его данные в таблицу 5.

     

    Таблица 5 – Тип трансформатора

     

    Тип трансформатора

    ТМ – 63/10

    63

    4,5

    265

    1280

    2,8

     

    5.3 Расчёт параметров обьекта регулирования

     

    В системе ТП-Д в объект регулирования входят тиристорный преобразователь и электродвигатель. Динамика систем ЭП, а также выбор параметров элементов определяются изменением регулируемых величин во времени. Необходимо принимать во внимание следующие факторы:

    • температурные процессы в обмотках машин, максимальную температуру;

    • механические процессы в системе электропривода, максимальные вращающие моменты и угловые скорости;

    • электромагнитные процессы в электрических машинах и дросселях, максимальные напряжения;

    • температурные процессы в вентилях, максимальную температуру р-п переходов;

    • переходные процессы в преобразователях, максимальную частоту среза системы;

    • электромагнитные процессы в элементах преобразователей, максимальную нагрузку вентилей по напряжению.

    Определим полное сопротивление якорной цепи двигателя:

    (5.3.1)

    где коммутационное сопротивление тиристора;

    сопротивление уравнительного реактора;

    динамическое сопротивление резистора.

    (5.3.2)

    где классификационное падение напряжения на тиристорах (до 2В);

    -среднее значение тока, проходящего через резистор.

    (5.3.3)

     

    Коммутационное сопротивление резистора :

    (5.3.4)

    где m – число фаз преобразователя.

    Активное сопротивление двигателя, с учётом сопротивления щёточного контакта определяется:

    (5.3.5)

    где сопротивление щёточного контакта;

    падение напряжения на щётках.

    (5.3.6)

     

    Передаточный коэффициент электродвигателя определяется:

    (5.3.7)

    Определим жёсткость механической характеристики:

    (5.3.8)

    Для определения электромагнитной постоянной времени, определим индуктивность якорной цепи:

    (5.3.9)

    где приведённая индуктивность трансформатора;

    индуктивность уравнительного реактора, принять 10%

    Электромагнитная постоянная времени:

    (5.3.10)

    Определим электромеханическую постоянную времени:

    (5.3.11)


    6 Структурная схема САР

     

    Элементами структурной схемы являются элементарные динамические звенья и сумматоры. Структурная схема составляется на основе функциональной схемы, согласно которой определяются блоки, через которые проходит сигнал управления. Структурная схема САР изображена на рисунке 9

     

     

    Рисунок 9 - Структурная схема САР

     

    Все элементы системы можно представить их передаточными функциями. Передаточная функция ТП вместе с системой импульсно – фазового управления, как правило, апроксируется апериодическим звеном первого порядка с постоянной времени в пределах что обусловлено дискретностью подачи отпирающих импульсов и особенностью работы ТП:

    (6.1)

     

    где выходное напряжение ТП, В;

    напряжение, подаваемое на вход СИФУ;

    коэффициент передачи ТП.

     

    Коэффициент передачи ТП изменяется в зависимости от величины управляющего напряжения и рассчитывается с использованием регулировочных характеристик (рис.10)

    (6.2)

    где относительное значение ЭДС тиристорного преобразователя, В;

    относительное значение напряжения управления, В.

    Регулировочные характеристики реверсивного тиристорного преобразователя изображены на рисунке 10.

     

     

    Рисунок 10 – Регулировочные характеристики реверсивного тиристорного преобразователя

     

    Электродвигатель постоянного тока, при подключении обмотки возбуждения к постоянному напряжению, работает с постоянным магнитным потоком.

     

    Якорная цепь ДПТ описывается передаточной функцией:

    (6.3)

    Передаточная функция механической части:

    (6.4)

    Передаточная функция ПИ регулятора:

    (6.5)

    (6.6)

    (6.7)

    (6.8)

    (6.9)

    (6.10)

     

    Таблица 6 – Тип шунта

     

    Тип шунта

    Класс точности

    , мВ

    , А

    Р 114/1

    0,1

    45

    300

     

    Постоянная времени регулятора тока:

    (6.11)

    Передаточная функция регулятора скорости определяется:

    (6.12)

    (6.13)

    (6.14)

    Передаточная функция тахогенератора:

     

    (6.15)

    (6.16)

     

    Таблица 7 – Тип тахогенератора

     

    Тип тахогенератора

    , кВт

    , об/мин

    , В

    , А

    ПТ-32/1

    0,115

    1200

    230

    0,5

     

    Передаточная функция датчика тока:

    (6.17)

     

     

    Рисунок 11 - Структурная схема САР с передаточными функциями, рассчитанные в соответствии с заданием

     


    7 Исследования системы управления электрического привода на устойчивость

     

    При исследовании системы управления выбранного двигателя постоянного тока 2ПН 37 кВт с помощью пакета программ MatLab, строится график переходного процесса по скорости, изображённый на рисунке 13. Структурная схема САР, построенная в программе MatLab изображена на рисунке 12.

     

    Рисунок 12 - Структурная схема САР, построенная в программе MatLab

     

     

    Рисунок 13 - График переходного процесса по скорости


    Заключение

     

    В данном курсовом проекте был произведен расчет электрического привода с учетом всех переходных процессов при пуске, торможении и изменения режимов работы двигателя. На первоначальном уровне проектирования был выбран и рассчитан двигатель постоянного тока (2ПН 37 кВт, 1500 об/мин) с учетом статического момента на валу. С помощью электромеханических и механических характеристик двигателя определили электромеханические свойства электропривода. В соответствии с разработанной функциональной схемой электропривода был выбран и рассчитан тиристорный преобразователь (АТР – 200/230 – 1Р), трансформатор (ТМ – 63/10), шунт (Р 114/1), тахогенератор (ПТ-32/1). Определили передаточные функции каждого звена, которые входят в систему.

    Спроектированная система управления для двигателя постоянного тока независимого возбуждения удовлетворяет требованиям устойчивости, а так же отвечает всем требованиям, поставленным в техническом задании.


     

    Список используемой литературы

     

    1. Зименков М.Г., Розинберг Г.В., Феськов Е.М. Справочник по наладке электрооборудования промышленных предприятий –М.: Энергоатомиздат, 1983. – 616 с.

    2. Алиев И.И. Электротехнический справочник: Учеб. для вузов/ 5-е изд., стер. – М., «Энергия» 1968. – 232 с.

    3. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе: Учеб. для вузов/– 6-е изд., испр. – М., «Энергия», 1977. – 432 с.

    4. Ключев В.И. Теория электропривода: учеб. для вузов/В.И. Ключев. – М.: Энергоатомиздат, 2001. – 704 с.

    5. Копылов И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов/ 5-е изд., стер. – М.: Высш. шк.,, 2006. – 607 с.

    6. Москаленко В. В. Электрический привод. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 368 с

    7. Терехов В.М. Системы управления электроприводов: учеб. для вузов/ В.М. Терехов, О.Н. Осипов. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 304 с.

     

     

     

    Скачать:  4-7.rar [900,62 Kb] (cкачиваний: 6)  

    скачать dle 10.6фильмы бесплатно