Система управления электроприводом скипового подъемника наклонной шахты

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Исходные данные для курсового проектирования

Разработать систему управления электроприводом скипового подъемника наклонной шахты, обеспечивающую следующие проектные технические характеристики:

Рисунок 1.1 - Функциональная схема скипового подъемника:1 - рельсовое полотно; 2 - скип; 3 - направляющее колесо; 4 - канат; 5 - барабан; 6 - редуктор; 7 - электродвигатель; 8 - щит управления

· Масса груза ;

· вес скипа ;

· диаметр колеса скипа ;

· диаметр цапфы осей колес ;

· высота подъема ;

· скорость подъема скипа ;

· скорость спуска скипа ;

· скорость вращения двигателя ;

· время паузы после спуска и подъема ;

· коэффициент трения в цапфе ;

· коэффициент трения качения колеса по рельсу ;

· коэффициент, учитывающий трение реборды колеса о рельс, ;

· угол наклона рельсового полотна ;

· коэффициент полезного действия барабана и передачи ;

· приведенный к валу двигателя маховый момент, обусловленный массами барабана, направляющего колеса, каната и редуктора, составляет .

· время переходного процесса замкнутой системы ;

· перерегулирование .

В качестве усилительно-преобразовательного устройства применить АИН - преобразователь с управлением от микро ЭВМ (PIC - контроллера) или другого программируемого устройства, задающего режим работы электропривода скипового подъемника.



2. Расчетно - конструкторская часть

2.1 Расчет основных усилий, моментов, действующих в системе

Рисунок 2.2 - Силы, действующие на скип

2.1.1 Сила действующая на канат, обусловленная весом скипа с грузом

(2.1.1.1)

где - вес скипа с грузом,; - угол наклона, ; - ускорение свободного падения, .

.

2.1.2 Сила действующая на колеса скипа

(2.1.2.1)

.



2.1.3 Сила, действующая на канат, обусловленная трением реборд и колес о рельсы и трением в цапфах колес

(2.1.3.1)

где - коэффициент, учитывающий трение реборды колеса о рельс, ; - радиус колеса, ; - коэффициент трения в цапфе, ; - радиус цапфы, ; - коэффициент трения качения колеса по рельсу, .

.

2.1.4 Суммарная сила, действующая на канат

. (2.1.4.1)

.

2.1.5 Приведенный к валу двигателя статический момент

, (2.1.5.1)

где - скорость подъема, ; - угловая скорость вращения двигателя, ; - КПД, .

.



2.1.6 Приведенный к валу двигателя момент инерции от поступательного движущихся масс скипа с грузом

(2.1.6.1)

.

2.1.7 Суммарный маховый момент скипового подъемника, приведенный к валу двигателя

(2.1.7.1)

.

2.2 Расчет мощности двигателя скипового подъемника

Спуск и подъем скипа производится с различной скоростью, Пауза после спуска и подъема равна 25 с каждая. Для учета потерь при пуске и торможении эквивалентная мощность электродвигателя, определяемая статической нагрузкой, должна быть увеличена на 15%.

2.2.1 Полезное усилие в тросе при подъеме нагруженного скипа

. (2.2.1.1)

.



2.2.2 Дополнительное условие, необходимое для преодоления трения качения, составит

. (2.2.2.1)

.

2.2.3 Дополнительное условие, необходимое для преодоления трения скольжения в цапфах

. (2.2.3.1)

.

2.2.4 Дополнительное усилие в тросе, обусловленное трением при подъеме скипа с учетом трения в ребордах

. (2.2.4.1)

.

2.2.5 полное усилие в тросе при подъеме груза

. (2.2.5.1)

.



2.2.6 Мощность, развиваемая двигателем при подъеме

. (2.2.6.1)

.

2.2.7 Время подъема скипа

. (2.2.7.1)

.

2.2.8 Полезное усилие в тросе при спуске порожнего скипа

. (2.2.8.1)

.

2.2.9 Усилие, необходимое для преодоления трения качения

. (2.2.9.1)

.



2.2.10 Усилие, необходимое для преодоления трения скольжения в цапфах

. (2.2.10.1)

.

2.2.11 Усилие в тросе, обусловленное трением при спуске порожнего скипа с учетом трения в ребордах

. (2.2.11.1)

.

2.2.12 Полное усилие в тросе при спуске порожнего скипа

. (2.2.12.1)

.

2.2.13 Мощность двигателя при спуске порожнего скипа

. (2.2.13.1)

.



2.2.14 Время спуска порожнего скипа

. (2.2.14.1)

.

Построение графика расходуемой мощности на валу двигателя, при помощи которого можно определить эквивалентную мощность.

Рисунок 2.2 - График расходуемой мощности на валу двигателя

2.2.15 Эквивалентная мощность

. (2.2.15.1)

.

2.2.16 Требуемая мощность на двигателе

. (2.2.16.1)

.

В соответствии со справочниками примем .



2.3 Выбор двигателя

2.3.1 Предварительный выбор двигателя

Предварительный выбор двигателя обычно производят по результатам расчета эквивалентной (требуемой) мощности, значение которой несколько завышается (на 10ч20%). для рассматриваемого случая ближайшими по требуемой эквивалентной (требуемой) мощности являются асинхронные двигатели (АД) с номинальной мощностью , необходимые для расчета параметры которых приведены в таблице 2.3.1.

Таблица 2.3.1.1 - Параметры выбранных двигателей

Тип двигателя
4А112М2У3	380	2900	7,5	0,875	0,88	3000	2,8	0,04
4А132S4У3	380	1455	7,5	0,875	0,86	1500	3	0,11
4А132М6У3	380	970	7,5	0,875	0,87	1000	2,5	0,23
4А160S8У3	380	730	7,5	0,86	0,75	750	2,2	0,55

Окончательно требуется выбрать только один из четырех двигателей. Для этого необходимо построить энергетические характеристики каждого, а затем (по необходимым условиями и параметрам) выбрать соответствующий тип двигателя скипа-подъемника.

2.3.2 Определение характеристик двигателя

Для построения энергетической характеристики каждого двигателя необходимо рассчитать следующие параметры



· номинальную угловую скорость двигателя

, (2.3.2.1)

где - номинальная частота вращения двигателя.

.

.

.

.

· синхронную угловую скорость двигателя

, (2.3.2.2)

.

.

.

.

· критическую угловую скорость двигателя

. (2.3.2.3)

.

.

.

.

· номинальный вращающий момент двигателя



. (2.3.2.4)

.

.

.

.

· синхронный вращающий момент двигателя

. (2.3.2.5)

.

.

.

.

· критический вращающий момент

. (2.3.2.6)

.

.

.

.



2.3.3 Построение характеристик выполняется в координатах ,, с помощью программной среды Matlab

Рисунок 2.3.3.1 - Энергетическая и механическая характеристики выбранных АД, .

2.3.4 Определение требуемых характеристик скипа-подъемника

· требуемый момент для подъема груженного скипа

, (2.3.4.1)

где - вес скипа с грузом, ; - диаметр барабана, .

.

· требуемая угловая скорость для подъема груженного скипа

(2.3.4.2)

где - линейная скорость подъема, .

.

2.3.5 Расчет ориентировочного значения передаточного отношения

=. (2.3.5.1)

=.

=.

=.

=.

2.3.6 Определение ожидаемой линейной скорости на выходе редуктора с ориентировочным передаточным числом

. (2.3.6.1)

.

.

.

.

2.3.7 Определение реального передаточного числа и пересчет линейной скорости перемещения скипа с учетом редуктора

Реальное передаточное число выбирается из ряда (для цилиндрических двухступенчатых редукторов типа Ц2У):5; 8; 10; 12; 16; 20; 22,4; 25; 31,5; 40, или из ряда (для цилиндрических трехступенчатых редукторов типа Ц3У): 40; 45; 56; 63; 80; 100; 125; 160; 200.

Соответственно выбираем для каждого двигателя ближайшее передаточное число.

Для АД 4А112М2У3 принимаем - ; для АД 4А132S4У3 - ; для АД 4А132М6У3 - ; для АД 4А160S8У3 - .

Пересчитаем линейные скорости

. (2.3.7.1)

.

.

.

.

Ограничение на линейную скорость редуктора

. (2.3.7.2)

Исходя из условия (2.3.7.2), выбираем двигатель (АД 4А112М2У3) со следующими параметрами:

· номинальное фазное напряжение ;

· номинальное линейное напряжение ;

· номинальная мощность ;

· номинальный ток фазы ;

· КПД ;

·

· номинальное скольжение ;

· критическое скольжение ;

· кратность пускового момента к номинальному ;

· кратность критического момента к номинальному ;

· кратность минимального момент к номинальному ;

· кратность пускового тока к номинальному ;

· синхронная частота вращения ;

· номинальная частота вращения ;

· момент инерции двигателя ;

2.4 Выбор редуктора

Выбор редуктора осуществляется по параметрам выбранного двигателя и расчетным характеристикам: , , ; а также геометрическим размерам проектируемого узла, если они указаны в задании.

Для мехатронной системы редуктор является конструктивным элементом, что необходимо учитывать при формировании массогабаритных параметров.

Выбираем редуктор цилиндрический трехступенчатый горизонтальный типа Ц3У-250-63-12КУ2 с основными параметрами:

1. Крутящий момент на тихоходном валу, :

· минимальный . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1000

· максимальный . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 4000

2. Передаваемая мощность, кВт:

· минимальная . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

· максимальная . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .12,3

3. Допускаемая радиальная консольная нагрузка, приложенная к середине посадочной части тихоходного вала, Н . . . . . . . . 16000

4. Допускаемая радиальная консольная нагрузка, приложенная к середине посадочной части быстроходного вала, Н . . . . . . . . . .2000

5. Номинальное передаточное число . . . . . . . . . . . . . . . . 63

6. КПД, % не менее . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .0,96

7. Межосевое расстояние, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..250

8. Частота вращения быстроходного вала, об/мин. не более



3. Статический расчет электропривода

3.1 приблизительный расчет параметров Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя 4А112М2У3

Для последующего использования результатов в динамическом расчете решим задачу приближенного определения параметров ,, , , , ,, N-образной схемы замещения (СЗ) асинхронного двигателя (АД), представленной на рисунке 3.1.1, при пренебрежении активным сопротивлением ветви намагничивания по данным справочникам, приведенным в таблице 3.1.1.

Таблица 3.1.1 - Справочные данные двигателя 4А112М2У3

№	Наименование величины, приводимой в справочнике	Обозначение	Величины	Размерность
1	Номинальная мощность на валу		7,5	кВт
2	Синхронная частота вращения		3000	об/мин
3	Номинальная частота вращения		2900	об/мин
4	Номинальное скольжение		2,5	%
5	КПД в номинальном режиме		87,5	%
6	Коэффициент мощности в номинальном режиме		0,88	о.е.
7	Номинальное линейное напряжение		380	В
8	Номинальная частота питающего напряжения		50	Гц
9	Кратность пускового тока		7,5	о.е.
10	Кратность пускового момента к номинальному		2	о.е.
11	Кратность максимального момента к номинальному		2,8	о.е.
12	Момент инерции двигателя		0,04



Рисунок 3.1.1 - Т-образная схема замещения АД

Для определения параметров схемы замещения используем методику опубликованную в [1]. Номинальный фазный ток двигателя определяется из справочных данных как

(3.1.1)

.

Из теории и практики проектирования ЭП, стендовых испытаний АД в номинальных режимах получены характерные соотношения, определяющие, например, коэффициент - отношение потерь в меди к суммарным потерям в АД, т.е. . Примем

В таблице 3.1.1 приведено соотношение величин , полученное в результате испытаний АД. В связи с явлением протекания токов в обмотках ротора, вызывающих увеличение пусковых момента и тока АД, имеется различие между расчетными и опытными величинами , что позволяет определить коэффициент отношения указанных величин и записать

двигатель подъемник скип мощность

. (3.1.2)

Для приближенного вычисления параметров упрощенной Т-образной СЗ примем соотношения

(3.1.3)

. (3.1.4)

Потери в меди в номинальном режиме определяются как

(3.1.5)

.

Электрические потери в обмотках АД в режиме короткого замыкания (КЗ) при номинальном напряжении

(3.1.6)

.

Из анализа СЗ для режима КЗ

. (3.1.7)

Приравнивая правые части выражений (3.1.6) и (3.1.7), можно записать

(3.1.8)

Из анализа работы СЗ в режиме КЗ следует, что

. (3.1.9)

Приравнивая правые части выражений (3.1.8) и (3.1.9) можно определить

. (3.1.10)

.

Тогда подставив (3.1.10) в (3.1.8) получим

.

Активная составляющая эквивалентного сопротивления СЗ в номинальном режиме вычисляется как

. (3.1.11)

.

С другой стороны, из анализа СЗ в номинальном режиме (здесь и далее величина приводится в о.е.), можно определить из соотношения вида

(3.1.12)

Из уравнения (3.1.11) с учетом (3.1.12) можно определить индуктивное сопротивление контура намагничивания

(3.1.13)

.

Определить по выражению (3.1.13) невозможно если

. (3.1.14)

Фактически это означает, что величина выбрана неверно. От выбора существенно зависят величины , , .

Проверка условия (3.1.14) выглядит следующим образом

.

Следовательно, по выражению (3.1.13) при можно определить параметр .

Принимаем .

Определим оставшихся параметров Т-образной схемы замещения АД такие, как

. (3.1.15)

.

. (3.1.16)

.

. (3.1.17)

.

. (3.1.18)

. (3.1.19)

. (3.1.18)

.

Для удобства выполнения дальнейших исследований расчетные значения параметров, полученные из выражений (3.1.2) - (3.1.18), сведем в таблицу 3.1.2.

Таблица 3.1.2 - Расчетные параметры Т-образной схемы замещения выбранного АД (при рабочей температуре обмоток статора и )

Параметр	Значение
, Ом
, Ом
, Гн
, Гн
, Гн
, Ом
, Ом
,Ом

В режиме установившейся частоты вращения звена объекта управления статический момент нагрузки обусловлен моментами от технологической силы и трении о воздух . С учетом изложенного зависимость статического момента сопротивления на валу двигателя от частоты вращения можно представить выражением вида

(3.1.19)

где - коэффициент статической и динамической составляющих соответственно; - номинальный момент АД.

Определяем также

(3.1.20)

где - текущее значение частоты вращения АД.

.

Оценим величину момента нагрузки при установившейся номинальной частоте вращения, рассчитав ток холостого хода АД. Из рисунка 3.1.1 можно записать

. (3.1.21)

.

Относительное значение тока холостого хода АД

(3.1.22)

.

Зададимся, что в установившемся режиме работы ток нагрузки (момент нагрузки) составляет 58,2% от номинального значения. Примем, что в формуле (3.1.19) коэффициенты имеют следующие значения: ; ; .

Можно получить для конкретных условий следующую зависимость , т.е.

(3.1.23)

Исходя из того, что перегрузочная способность выбранного АД по моменту составляет , примем, что в пусковых и тормозных режимах ток двигателя не должен превышать номинальное значение более, чем в 2 раза. Этим будем руководствоваться при оценке результатов, которые будут получены в ходе динамического расчета (моделирования) процессов в электроприводе.

Выражение (3.1.23) в дальнейшем может быть использовано для составления структурной схемы блока статической нагрузки и моделирования переходных процессов в электроприводе проектируемой МС при изменении скорости движения РО.

3.2 Расчет вольт - частотной характеристики

Известно, что при уменьшении частоты снижается угловая скорость , а магнитный поток АД увеличивается. Это приводит к глубокому насыщению магнитной цепи АД и увеличению намагничивающего тока, что снижает энергетические показатели АД, т.е. (). При этом изменяется и критический момент на валу АД, что отрицательно сказывается на технических характеристиках технологического оборудования. С целью сохранения перегрузочной способности АД на низких частотах применяют коррекцию вольт - частотной характеристики по напряжению, компенсируя падение напряжения в обмотке статора АД путем добавления некоторого напряжения (при ) к рассчитанному значению напряжения . Расчет вольт - частотной характеристики будем вести из положения о необходимости обеспечения номинального момента на валу АД и частоты вращения при его работе от сети с напряжением 380 В и частотой 50 Гц.

Из условия обеспечения равномерного вращения вала АД зададимся минимально допустимой частотой . При этом минимальная частота выходного напряжения АИН составит

. (3.2.1)

.

Напряжение фазы АД при

. (3.2.2)

.

С целью сохранения перегрузочной способности АД на низких частотах проведем коррекцию вольт - частотной характеристики по напряжению, компенсируя падение напряжения в обмотке статора АД путем добавления при к рассчитанному величины

. (3.2.3)

.

Тогда при скорректированное значение фазного напряжения

. (3.2.4)

.

На рисунке 3.2.1 приведены нескорректированная и скорректированная вольт - частотные характеристики управляемого электродвигателя в схеме «АИН-АД», позволяющие обеспечить улучшенные (по нагрузочной способности) механические характеристики выбранного АД.

Рисунок 3.2.1 - Вольт - частотная характеристика электропривода

На рисунке 3.2.2 приведены механические характеристики АД, позволяющие оценить возможности проектируемого электропривода МС, собранного по широко распространенной схема «АИН-АД» и с автоматической IR - коррекцией напряжения обмоток статора АД.

Построение механических характеристик АД выполнено для номинальных и пониженных частот с коррекцией и без коррекции фазного напряжения

Рисунок 3.2.2 - Механические характеристики двигателя 4А112М2У3 при частотном управлении

Размещено на Allbest.ru

...