Электропривод шахтной подъемной лебедки по схеме "Тиристорный преобразователь – Электродвигатель постоянного тока"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА

Кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок»

Заведующий кафедрой

Хватов С.В.

Электропривод шахтной подъемной лебедки по схеме

«Тиристорный преобразователь - Электродвигатель постоянного тока»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

РУКОВОДИТЕЛЬ

Шахов А.В.

СТУДЕНТ

Гузев С.А. 08-ЭТ

Нижний Новгород 2011 г.

СОДЕРЖАНИЕ

двигатель электропривод шахтный лебедка

1. Определение приведенных значений статических моментов и момента инерции исполнительного механизма

2. Определение предварительной мощности двигателя и выбор двигателя по каталогу

3. Расчет и выбор элементов силовой цепи электропривода

3.1 Выбор трансформатора

3.2 Расчет сглаживающего реактора

3.3 Выбор тиристорного преобразователа

4. Расчет и построение естественной механической характеристики электродвигателя

5. Расчет и построение механических характеристик при максимальном, среднем и минимальном значениях скорости движения

6. Оценка влияния изменения напряжения и частоты питающей сети (±15%) на полученные механические характеристики и работу механизма

6.1 Оценка влияния изменения напряжения питающей сети

6.2 Оценка влияния изменения частоты питающей сети

7. Оценка необходимости применения обратной связи для стабилизации угловой скорости вала электродвигателя

8. Расчет и построение кривых изменения угловой скорости, момента и тока при пуске и остановке электродвигатель

8.1 Пуск электродвигателя при подъеме клети

8.2 Торможение электродвигателя при подъеме клети

8.3 Пуск электродвигателя при спуске клети

8.4 Торможение электродвигателя при спуске клети

9. Проверка предварительно выбранного двигателя по нагреву и перегрузке

10. Определение КПД электропривода за цикл работы

11. Разработка принципиальной электрической схемы электропривода и описание ее работы

12. Выбор аппаратуры управления, защиты и сигнализации. Составление перечня элементов

Список литературы

1. Определение приведенных значений статических моментов и момента инерции исполнительного механизма

Значение приведенного к валу двигателя статического момента при подъеме груза [3]:

, (1)

где - вес клети, Н;

- вес груза, Н;

- вес каната, Н;

- диаметр барабана, м;

- передаточное число редуктора;

- КПД редуктора.

Определим вес каната:

, (2)

где - удельный вес каната, ;

Н - высота подъема, м.

(3)

Подставляя полученный вес каната в (1), получим

. (4)

Определим значение приведенного к валу двигателя статического момента при спуске:

; (5)

(6)

Определим значение приведенного к валу двигателя момента инерции исполнительного механизма при подъеме груза:

, (7)

где - момент инерции барабана, ,

- ускорение свободного падения.

. (8)

Определим значение приведенного к валу двигателя момента инерции исполнительного механизма при спуске:

; (9)

.(10)

2. Определение предварительной мощности двигателя и выбор двигателя по каталогу

Рассчитаем максимальную угловую скорость вращения вала двигателя , которая обеспечивает максимальную линейную скорость перемещения груза:

, (11)

где - максимальная линейная скорость движения, .

.(12)

Максимальная частота вращения

; (13)

.(14)

Приблизительное время подъема и время спуска клети можно определить следующим образом:

; (15)

.(16)

Длительность пауз для освобождения клети от груза и для ее загрузки , согласно заданию, равны длительности передвижения клети, т.е.

. (17)

При этом соответствующие статические моменты для этих пауз, приведенные к валу двигателя, равны нулю:

. (18)

Определим эквивалентный момент нагрузки, соответствующий длительному режиму работы двигателя [1]:

(19)

.(20)

Определим предварительную мощность электродвигателя:

; (21)

.(22)

Из справочника [7] выбираем двигатель 2ПФ280МГУХЛ4.

Параметры выбранного двигателя:

мощность электродвигателя ;

напряжение питающей сети ;

номинальная частота вращения ;

максимальная частота вращения ;

КПД двигателя ;

сопротивление обмотки якоря при 15 °С ;

сопротивление обмотки добавочных полюсов при 15 °С ;

сопротивление обмотки возбуждения при 15 °С ;

момент инерции двигателя .

Номинальный ток двигателя

; (23)

.(24)

Номинальная угловая скорость вращения вала двигателя

; (25)

.(26)

Сопротивление якорной цепи электродвигателя

; (27)

.(28)

Превышение температуры обмоток электродвигателя в установившемся тепловом состоянии для типа 2ПФ соответствует классу В, допустимая температура нагрева .

Определим предельный перегрев двигателя

, (29)

где - справочная температура, °С;

- погрешность в определении температуры, °С.

.(30)

Пересчитаем сопротивление якоря с учетом нагрева двигателя до допустимой температуры:

, (31)

где - температурный коэффициент электрического сопротивления.

Для меди . Тогда

.(32)

3. Расчет и выбор элементов силовой цепи электропривода

3.1 Выбор трансформатора

Выбор понижающего трансформатора производим, исходя из условий:

, (33)

где - номинальное напряжение понижающего трансформатора, В;

- номинальное напряжение сети, В;

, (34)

где - номинальный выпрямленный ток понижающего трансформатора, А;

- номинальный ток электропривода, А.

Согласно заданию, , а номинальный ток электропривода, согласно (24), принимаем равным . Исходя из этих условий, выбираем трансформатор ТСПМ-250/0,7-УЗ, параметры которого принимают следующие значения:

схема и группа соединения обмоток ;

рабочая частота ;

полная мощность ;

напряжение сетевой обмотки ;

напряжение вентильной обмотки ;

ток вентильной обмотки ;

потери холостого хода ;

потери короткого замыкания ;

напряжение короткого замыкания ;

ток холостого хода .

Определим коэффициент трансформации

; (35)

.(36)

Активное сопротивление фазы трансформатора, приведенное к вторичной обмотке,

(37)

.(38)

Полное сопротивление фазы трансформатора, приведенное к его вторичной обмотке,

; (39)

.(40)

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора, приведенное к его вторичной обмотке,

; (41)

.(42)

3.2 Расчет сглаживающего реактора

Определим максимальное значение ЭДС на выходе преобразователя:

, (43)

где - кратность пульсаций выходного напряжения.

Для трехфазной мостовой схемы выпрямителя , тогда

. (44)

Требуемая величина индуктивности якорной цепи определяется выражением

, (45)

где - амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения преобразователя, В;

- круговая частота питающей сети;

- допустимое относительное действующее значение основной гармоники выходного тока преобразователя.

Амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения преобразователя определяется следующим образом:

, (46)

где - угол управления, обеспечивающий номинальное напряжение на нагрузке, ° эл.

Определим номинальный угол управления:

; (47)

.(48)

Определим амплитуду основной гармоники выпрямленного напряжения преобразователя:

.(49)

Подставляя полученное значение в (45), определим требуемую величину индуктивности якорной цепи:

.(50)

Рассчитаем индуктивность обмотки якоря двигателя [5]:

, (51)

где - конструктивный коэффициент, равный 0,5 для некомпенсированных машин;

- число пар полюсов;

.(52)

Индуктивность сглаживающего реактора

; (53)

.(54)

Поскольку полученное значение индуктивности отрицательное, то сглаживающий реактор не нужен.

3.3 Выбор тиристорного преобразователя

Выбираем тиристорный преобразователь БСМ3203-4824М УХЛ4. Структура условного обозначения:

Размещено на http://www.allbest.ru/



Рисунок 1 - Функциональная схема тиристорного преобразователя

СРЭ - система регулирования электропривода; ДНТ - датчик нуля тока; УДТ - усилитель датчика тока; ЛПУ - логическое переключающее устройство; СИФУ1, СИФУ2 - системы импульсно-фазового управления; К1, К2 - ключи в ЛПУ; УТВ1, УТВ2 - управляемые тиристорные выпрямители; СОВ - стабилизатор напряжения обмотки возбуждения; М - двигатель; RS - измерительный шунт; LM - обмотка возбуждения двигателя; BR - тахогенератор

4. Расчет и построение естественной механической характеристики электродвигателя

Уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения имеет вид:

, (55)

где - напряжение на зажимах якоря, В;

- конструктивный коэффициент, ;

Ф - магнитный поток электродвигателя, Вб;

М - момент, развиваемый электродвигателем, ;

- сопротивление якорной цепи нагретой машины, Ом.

Найдем значение произведения в номинальном режиме работы:

; (56)

.(57)

Номинальный момент двигателя определяется выражением

; (58)

.(59)

Получим выражение естественной механической характеристики электродвигателя в численном виде:

.(60)

Задаваясь значениями момента двигателя, составим таблицу значений естественной механической характеристики двигателя:

Таблица 1 - Естественная механическая характеристика двигателя

	0	755,62	1130
	163,57	157,06	153,83

По данным таблицы 1 построим естественную механическую характеристику двигателя (рисунок 2).

Рисунок 2 - Естественная механическая характеристика двигателя

5. Расчет и построение механических характеристик при максимальном, среднем и минимальном значениях скорости движения

Согласно заданию, максимальная угловая скорость двигателя . Минимальное значение угловой скорости двигателя

, (61)

где - диапазон регулирования скорости.

.(62)

Среднее значение угловой скорости двигателя

; (63)

.(64)

Уравнение механической характеристики в системе ТП-Д, согласно [4], имеет вид:

, (65)

где - полное эквивалентное сопротивление цепи выпрямленного тока, Ом.

; (66)

.(67)

Преобразовав выражение (65), получим формулу для определения угла управления :

; (68)

Задаваясь значениями минимальной, средней и максимальной скоростей, а также значениями момента при подъеме и спуске клети , рассчитаем значения угла управления . Результаты расчетов сведем в таблицу 2.

Таблица 2 - Значения угла управления

Подъем клети	Спуск клети
51,7	67,72	-51,7	103,21
103,4	51,19	-103,4	118,43
155,1	29,05	-155,1	136,36

Механические характеристики в системе ТП-Д линейны только в зоне непрерывного тока. В зоне прерывистого тока характеристики нелинейны. Поэтому для каждого значения угла управления необходимо рассчитать граничные токи , которые определяются выражением [5]:

. (69)

Граничный момент

. (70)

Граничная скорость

. (71)

Подставляя заданные в таблице 2 значения угла управления в формулы (69) - (71), получим значения граничных токов, моментов и скоростей. Все результаты сведем в таблицу 3.

Таблица 3 - Значения граничных токов, моментов и скоростей

Подъем клети	Спуск клети
67,72	109,13	146,78	75,66	103,21	114,82	154,43	-51,44
51,19	91,91	123,61	127,91	118,43	103,71	139,50	-102,78
29,05	57,26	77,02	180,73	136,36	81,40	109,49	-153,76

Проанализировав результаты, полученные в таблице 3, можно сделать вывод, что значения статических моментов и лежат в зоне непрерывного тока, значит механические характеристики во всех режимах работы электропривода линейны.

Задаваясь значениями моментов (нулевой, граничный и статический моменты), рассчитаем по формуле (65) значения скоростей двигателя при значениях угла управления (при подъеме и при спуске), соответствующих максимальной скорости двигателя. Результаты расчетов сведем в таблицу 4.

Таблица 4 - Механические характеристики при максимальной скорости

Подъем клети	Спуск клети
0,00	182,58	0,00	-151,13
77,02	180,73	109,49	-153,76
1 144,96	155,10	165,32	-155,10

Рассчитаем по формуле (65) значения скоростей двигателя при значениях угла управления ( при подъеме и при спуске), соответствующих средней скорости двигателя. Результаты расчетов сведем в таблицу 5.

Таблица 5 - Механические характеристики при средней скорости

Подъем клети	Спуск клети
0,00	130,88	0,00	-99,43
123,61	127,91	139,50	-102,78
1 144,96	103,40	165,32	-103,40

Рассчитаем по формуле (65) значения скоростей двигателя при значениях угла управления ( при подъеме и при спуске), соответствующих минимальной скорости двигателя. Результаты расчетов сведем в таблицу 6.

Таблица 6 - Механические характеристики при минимальной скорости

Подъем клети	Спуск клети
0,00	79,18	0,00	-47,73
146,78	75,66	154,43	-51,44
1 144,96	51,70	165,32	-51,70

По данным таблиц 4-6 построим механические характеристики при максимальном, среднем и минимальном значениях скорости движения (рисунок 3).

Рисунок 3 - Искусственные механические характеристики двигателя при максимальном, среднем и минимальном значениях скорости движения

6. Оценка влияния изменения напряжения и частоты питающей сети (±15%) на полученные механические характеристики и работу механизма

6.1 Оценка влияния изменения напряжения питающей сети

При изменении напряжения питающей сети скорость идеального холостого хода

(72)

изменяется прямо пропорционально изменению напряжения. Тогда изменение скорости идеального холостого хода можно выразить следующим образом:

, (73)

где k - изменение напряжения, %.

Подставляя рассчитанные ранее значения скоростей идеального холостого хода при максимальном, среднем и минимальном значениях скорости двигателя при подъеме и спуске клети (таблицы 4-6), определим изменение скорости холостого хода при различных скоростях работы электропривода:

а) подъем клети:

;(74)

;(75)

;(76)

б) спуск клети:

;(77)

;(78)

.(79)

Формула для расчета механических характеристик при изменении питающего напряжения на величину будет иметь вид:

(80)

Графически, при изменении напряжения механические характеристики будут смещаться вверх/вниз на величину изменения скорости идеального холостого хода (см. рисунки 4 и 5).



Рисунок 4 - Искусственные механические характеристики двигателя при изменении напряжения питающей сети (±15%) при подъеме клети

Рисунок 5 - Искусственные механические характеристики двигателя при изменении напряжения питающей сети (±15%) при спуске клети

6.2 Оценка влияния изменения частоты питающей сети

Изменение частоты питающей сети, в соответствии с (69), ведет к изменению граничного тока и, как следствие, к изменению граничных моментов и скоростей в соответствии с (70), (71), т.е. частота питающей сети влияет на величину зоны непрерывных токов.

При увеличении частоты на 15% граничный ток будет определяться следующим образом:

. (81)

Рассчитаем значения граничного тока (81), граничного момента (70) и граничной скорости (71) при различных значениях угла управления . Результаты расчетов сведем в таблицу 7.

Таблица 7 - Значения граничных токов, моментов и скоростей при увеличении частоты питающей сети на 15%

Подъем клети	Спуск клети
67,72	96,37	129,62	76,07	103,21	101,39	136,37	-51,01
51,19	81,16	109,16	128,26	118,43	91,59	123,19	-102,39
29,05	50,57	68,01	180,95	136,36	71,88	96,68	-153,45

При уменьшении частоты на 15% граничный ток будет определяться следующим образом:

. (82)

Рассчитаем значения граничного тока (82), граничного момента (70) и граничной скорости (71) при различных значениях угла управления . Результаты расчетов сведем в таблицу 8.

Таблица 8 - Значения граничных токов, моментов и скоростей при уменьшении частоты питающей сети на 15%

Подъем клети	Спуск клети
67,72	125,79	169,18	75,12	103,21	132,34	178,00	-52,00
51,19	105,93	142,48	127,46	118,43	119,54	160,78	-103,29
29,05	66,00	88,77	180,45	136,36	93,82	126,19	-154,16

Анализируя результаты, полученные в таблицах 7 и 8, можно сделать вывод о том, что при увеличении частоты питающей сети на 15% область граничных токов уменьшается, а при уменьшении - увеличивается. При этом значения статических моментов и при изменении частоты остаются в области непрерывного тока, механические характеристики остаются линейными, а скорость передвижения клети не меняется (как на спуск, так и на подъем). Однако при уменьшении частоты на 15% при работе привода на спуск клети на минимальных скоростях граничный момент становится больше статического, вследствие чего механическая характеристика двигателя становится нелинейной, а скорость спуска клети может уменьшиться.

7. Оценка необходимости применения обратной связи для стабилизации угловой скорости вала электродвигателя

При изменении момента на валу двигателя от до изменение угловой скорости не должно превышать .

Определим изменение угловой скорости при работе электропривода на максимальной скорости:

, (83)

где - скорость идеального холостого хода при работе электропривода на максимальной скорости (таблица 4), рад/с;

,(84)

обратная связь по скорости вала не требуется.

Определим изменение угловой скорости двигателя при работе электропривода на минимальной скорости:

, (85)

где - скорость идеального холостого хода при работе электропривода на минимальной скорости (таблица 6), рад/с;

.(86)

Полученное значение превышает допустимое изменение угловой скорости, поэтому необходима обратная связь по скорости вала электродвигателя. Рассчитаем требуемый коэффициент усиления обратной связи:

, (87)

.(88)

Для стабилизации угловой скорости вала электродвигателя вводим отрицательную обратную связь по скорости, реализуемую с помощью тахогенератора, входящего в конструкцию выбранного электродвигателя. Управляющее воздействие на объект управления (двигатель) формирует результирующий сигнал, равный сумме сигнала задания и сигнала, снимаемого с тахогенератора.

8 Расчет и построение кривых изменения угловой скорости, момента и тока при пуске и остановке электродвигателя

8.1 Пуск электродвигателя при подъеме клети

Произведем расчет кривых изменения угловой скорости, момента и тока при пуске двигателя со статической нагрузкой при подъеме клети по методике, изложенной в [10].

Токовая отсечка в преобразователе

; (89)

.(90)

Суммарный момент инерции

; (91)

.(92)

Определим модуль жесткости искусственной характеристики:

; (93)

.(94)

Электромеханическая постоянная времени

; (95)

.(96)

Максимальный момент при пуске/торможении, в соответствии с (89),

; (97)

.(98)

Требуемая скорость нарастания управляющего воздействия преобразователя

; (99)

.(100)

В целом переходный процесс для момента, развиваемого двигателем, описывается следующей системой уравнений:

(101)

где - время запаздывания при пуске на подъем, с;

- время нарастания управляющего воздействия преобразователя при пуске на подъем, с.

Переходный процесс для скорости описывается системой уравнений:

(102)

где - перепад угловой скорости, обусловленный активным моментом нагрузки , рад/с;

- угловая скорость двигателя в момент времени , рад/с.

При момент двигателя нарастает линейно, однако он все же меньше статического момента , поэтому под действием двигатель разгоняется в обратную сторону (клеть с грузом начинает опускаться). В момент времени момент двигателя и скорость двигателя перестает расти. При момент двигателя достигает максимального значения по экспоненциальному закону, в то время как скорость, уменьшившись до нуля, будет увеличиваться в положительную сторону по линейному закону. При двигатель выйдет на искусственную характеристику, соответствующую максимальной скорости движения клети с грузом, после чего нарастание управляющего воздействия преобразователя закончится. Скорость двигателя в данный момент времени будет равна . При момент двигателя по экспоненциальному закону упадет до значения . Скорость двигателя по такому же закону увеличится до значения . При переходный процесс можно считать завершенным.

В соответствии с вышеизложенным, из первого уравнения системы (101) определим время запаздывания:

; (103)

.(104)

Определим перепад угловой скорости, обусловленный активным моментом нагрузки:

; (105)

.(106)

В соответствии с изложенным на предыдущей странице, рассчитаем угловую скорость двигателя при :

, (107)

где - скорость идеального холостого хода при подъеме клети на максимальной скорости (таблица 4);

.(108)

Запишем первое уравнение (102) для , учитывая, что :

, (109)

откуда найдем :

; (110)

.(111)

Общее время пуска электродвигателя:

; (112)

.(113)

Переходный процесс для тока двигателя определяется моментом, развиваемым электродвигателем:

. (114)

Задаваясь значениями времени, рассчитаем параметры переходных процессов при пуске электродвигателя на подъем клети. Результаты расчета сведем в таблицу 9. По результатам расчетов построим графики переходных процессов (рисунок 6).

Таблица 9 - Результаты расчета переходного процесса при пуске на подъем

0,0	0,00	0,00	0,00
0,1	-14,47	656,89	488,40
0,2	-3,73	1 279,50	951,30
0,3	11,20	1 471,05	1 093,72
0,4	26,83	1 502,92	1 117,41
0,5	42,57	1 508,22	1 121,36
0,6	58,34	1 509,11	1 122,01
0,7	74,10	1 509,25	1 122,12
0,8	89,87	1 509,28	1 122,14
0,9	105,64	1 509,28	1 122,14
1,0	121,41	1 509,28	1 122,14
1,1	137,18	1 509,28	1 122,14
1,2	150,96	1 317,42	979,50
1,3	154,41	1 173,66	872,61
1,4	154,99	1 149,73	854,82
1,5	155,08	1 145,75	851,86
1,6	155,10	1 145,09	851,37
1,7	155,10	1 144,98	851,29
1,8	155,10	1 144,96	851,27
1,9	155,10	1 144,96	851,27
2,0	155,10	1 144,96	851,27

Рисунок 6 - Кривые изменения угловой скорости, момента и тока при пуске двигателя на подъем клети с грузом

8.2 Торможение электродвигателя при подъеме клети

Требуемое значение скорости уменьшения управляющего воздействия преобразователя:

; (115)

.(116)

При торможении на подъеме переходный процесс для момента, развиваемого двигателем, описывается следующей системой уравнений:

(117)

где - время уменьшения управляющего воздействия преобразователя при торможении на подъеме, с;

- момент двигателя в момент времени , .

Переходный процесс для скорости описывается системой уравнений:

(118)

где - угловая скорость двигателя в момент времени , рад/с.

При момент двигателя спадает по экспоненциальному закону до значения . Скорость будет уменьшаться по линейному закону с запаздыванием. Когда при двигатель выйдет на искусственную характеристику, соответствующую нулевому значению угловой скорости при заданном статическом моменте нагрузки, уменьшение управляющего воздействия преобразователя закончится. Скорость двигателя в данный момент времени будет равна . При момент двигателя по экспоненциальному закону будет возрастать до значения . Скорость двигателя по такому же закону будет уменьшаться до нуля. Когда угловая скорость двигателя станет равной нулю, необходимо включить электромагнитный тормоз, а двигатель - отключить. Таким образом, процесс торможения двигателя на данном этапе можно будет считать завершенным.

В соответствии с изложенным, рассчитаем предварительное значение угловой скорости двигателя при :

; (119)

.(120)

Запишем первое уравнение (118) для , учитывая, что :

, (121)

откуда найдем :

; (122)

.(123)

Подставляя полученное значение в первые уравнения (117) и (118), рассчитаем значения момента двигателя и угловой скорости в момент времени :

; (124)

(125)

; (126)

(127)

Переходный процесс для тока двигателя определяется моментом, развиваемым электродвигателем:

(128)

Задаваясь значениями времени, рассчитаем параметры переходных процессов при торможении электродвигателя на подъеме клети. Результаты расчета сведем в таблицу 10. По результатам расчетов построим графики переходных процессов (рисунок 7).

Таблица 10 - Результаты расчета переходного процесса при торможении на подъеме

0,00	155,10	1 144,96	851,27
0,05	135,68	-427,71	-318,00
0,10	93,91	-1 069,22	-794,96
0,15	44,96	-741,13	-551,03
0,20	18,34	375,60	279,25
0,25	7,48	831,13	617,94
0,30	3,05	1 016,94	756,09
0,35	1,24	1 092,74	812,45
0,40	0,51	1 123,66	835,43
0,45	0,21	1 136,27	844,81
0,50	0,08	1 141,42	848,64
0,55	0,03	1 143,51	850,20
0,60	0,01	1 144,37	850,83
0,65	0,01	1 144,72	851,09
0,70	0,00	1 144,86	851,20
0,75	0,00	1 144,92	851,24
0,80	0,00	1 144,94	851,26



Рисунок 7 - Кривые изменения угловой скорости, момента и тока при торможении двигателя на подъеме клети с грузом

Как видно из таблицы 10 и рисунка 7, длительность торможения на подъеме примерно равна .

8.3 Пуск электродвигателя при спуске клети

Произведем расчет кривых изменения угловой скорости, момента и тока при пуске двигателя со статической нагрузкой при спуске клети.

Суммарный момент инерции

; (129)

.(130)

Электромеханическая постоянная времени

(131)

.(132)

Требуемая скорость нарастания управляющего воздействия преобразователя

; (133)

.(134)

Переходный процесс для момента, развиваемого двигателем, описывается системой уравнений:

 (135)

где - время нарастания управляющего воздействия преобразователя при пуске на спуск, с;

- момент двигателя при , .

Переходный процесс для скорости описывается системой уравнений:

(136)

где - перепад угловой скорости, обусловленный активным моментом нагрузки , рад/с;

- угловая скорость двигателя в момент времени , рад/с.

При момент двигателя нарастает экспоненциально в отрицательную сторону до значения , а угловая скорость с некоторым запаздыванием в начале будет нарастать линейно (в области отрицательных значений). При двигатель выйдет на искусственную характеристику, соответствующую максимальной скорости движения клети с грузом, после чего нарастание управляющего воздействия преобразователя закончится. При момент двигателя по экспоненциальному закону возрастет до положительного значения . Скорость двигателя по такому же закону уменьшится до значения . При переходный процесс можно считать завершенным.

Определим перепад угловой скорости, обусловленный активным моментом нагрузки:

; (137)

.(138)

В соответствии с изложенным выше, рассчитаем предварительно угловую скорость двигателя при :

, (139)

где - скорость идеального холостого хода при спуске клети на максимальной скорости (таблица 4);

.(140)

Запишем первое уравнение (136) для , учитывая, что :

, (141)

откуда найдем :

; (142)

.(143)

Подставляя полученное значение в первые уравнения (135) и (136), рассчитаем значения момента двигателя и угловой скорости в момент времени :

; (144)

(145)

; (146)

(147)

Переходный процесс для тока двигателя определяется моментом, развиваемым электродвигателем:

(148)

Задаваясь значениями времени, рассчитаем параметры переходных процессов при пуске электродвигателя на спуск клети. Результаты расчета сведем в таблицу 11. По результатам расчетов построим графики переходных процессов (рисунок 8).

Таблица 11 - Результаты расчета переходного процесса при пуске на спуск

0,000	0,00	0,00	0,00
0,025	-35,96	-573,09	-426,09
0,050	-65,55	-928,84	-690,59
0,075	-91,20	-1 149,67	-854,77
0,100	-113,96	-1 049,52	-780,31
0,125	-129,96	-558,79	-437,76
0,150	-139,25	-302,79	-225,13
0,175	-145,26	-125,26	-93,13
0,200	-148,99	-15,06	-11,20
0,225	-151,31	53,35	39,67
0,250	-152,75	95,81	71,24
0,275	-153,64	122,17	90,84
0,300	-154,19	138,54	103,00
0,325	-154,54	148,69	110,55
0,350	-154,75	155,00	115,24
0,375	-154,88	158,91	118,15
0,400	-154,97	161,34	119,96
0,425	-155,02	162,85	121,08
0,450	-155,05	163,79	121,78
0,475	-155,07	164,37	122,21
0,500	-155,08	164,73	122,48
0,525	-155,09	164,95	122,64
0,550	-155,09	165,09	122,75
0,575	-155,10	165,18	122,81
0,600	-155,10	165,23	122,85



Рисунок 8 - Кривые изменения угловой скорости, момента и тока при пуске двигателя на спуск клети без груза

Как видно из таблицы 11 и рисунка 8, длительность пуска на спуск примерно равна .

8.4 Торможение электродвигателя при спуске клети

Требуемое значение скорости уменьшения управляющего воздействия преобразователя:

; (149)

.(150)

При торможении на спуске переходный процесс для момента, развиваемого двигателем, описывается следующей системой уравнений:

(151)

где - время уменьшения управляющего воздействия преобразователя при торможении на спуске, с;

- момент двигателя в момент времени , .

Переходный процесс для скорости описывается системой уравнений:

(152)

где - угловая скорость двигателя в момент времени , рад/с.

При момент двигателя возрастет по экспоненциальному закону до значения . Скорость будет увеличиваться по линейному закону с запаздыванием. Когда при двигатель выйдет на искусственную характеристику, соответствующую нулевому значению угловой скорости при заданном статическом моменте нагрузки, уменьшение управляющего воздействия преобразователя закончится. Скорость двигателя в данный момент времени будет равна . При момент двигателя по экспоненциальному закону будет спадать до значения . Скорость двигателя по такому же закону будет уменьшаться до нуля. Когда угловая скорость двигателя станет равной нулю, необходимо включить электромагнитный тормоз, а двигатель - отключить. Таким образом, процесс торможения двигателя на данном этапе можно будет считать завершенным.

В соответствии с изложенным, рассчитаем предварительное значение угловой скорости двигателя при :

; (153)

.(154)

Запишем первое уравнение (152) для , учитывая, что :

(155)

откуда найдем :

; (156)

.(157)

Подставляя полученное значение в первые уравнения (151) и (152), рассчитаем значения момента двигателя и угловой скорости в момент времени :

; (158)

(159)

; (160)

(161)

Переходный процесс для тока двигателя определяется моментом, развиваемым электродвигателем:

. (162)

Задаваясь значениями времени, рассчитаем параметры переходных процессов при торможении электродвигателя на спуске клети. Результаты расчета сведем в таблицу 12. По результатам расчетов построим графики переходных процессов (рисунок 9).

Таблица 12 - Результаты расчета переходного процесса при торможении на спуске

0,00	-155,10	165,32	122,91
0,05	-144,15	992,55	737,96
0,10	-120,99	1 311,31	974,95
0,15	-93,13	1 434,14	1 066,27
0,20	-63,46	1 481,47	1 101,46
0,25	-33,09	1 499,70	1 115,02
0,30	-12,76	699,66	520,20
0,35	-4,92	371,22	276,00
0,40	-1,89	244,66	181,90
0,45	-0,73	195,89	145,64
0,50	-0,28	177,10	131,67
0,55	-0,11	169,86	126,29
0,60	-0,04	167,07	124,21
0,65	-0,02	165,99	123,42
0,70	-0,01	165,58	123,11
0,75	0,00	165,42	122,99
0,80	0,00	165,36	122,94

Рисунок 9 - Кривые изменения угловой скорости, момента и тока при торможении двигателя на спуске клети без груза

Как видно из таблицы 12 и рисунка 9, длительность торможения на спуске примерно равна .

9. Проверка предварительно выбранного двигателя по нагреву и перегрузке

Допустимая перегрузочная способность двигателя постоянного тока . Определим перегрузочную способность выбранного двигателя:

, (163)

т.е. выбранный двигатель подходит по перегрузке.

Проверку двигателя по нагреву проведем методом эквивалентного момента. В силу малых значений времени пуска и торможения по сравнению со временем подъема и спуска клети, момент двигателя при пуске/торможении примем равным . Тогда с учетом ухудшения теплоотдачи и равенства эквивалентный момент двигателя будет определяться следующим образом:

(164)

где - коэффициент ухудшения теплоотдачи двигателя.

Для защищенных двигателей с независимой вентиляцией от постоянного вентилятора (серия 2ПФ) коэффициент ухудшения теплоотдачи . Тогда эквивалентный момент двигателя

(165)

Условием прохождения двигателя по нагреву является неравенство

. (166)

Для выбранного двигателя при заданном цикле работы электропривода данное неравенство соблюдается , значит, двигатель за полный цикл работы перегреваться не будет.

10. Определение КПД электропривода за цикл работы

Рассчитаем эквивалентный ток статической нагрузки:

; (167)

.(168)

Определим среднее значение КПД тиристорного преобразователя при максимальной скорости двигателя:

(169)

.(170)

КПД электропривода за цикл работы (при максимальной скорости):

, (171)

где - номинальный КПД двигателя;

.(172)

Среднее значение КПД тиристорного преобразователя при минимальной скорости двигателя:

; (173)

.(174)

КПД электропривода за цикл работы (при минимальной скорости):

; (175)

.(176)

Сравнивая значения, полученные в (172) и в (176), можно сделать вывод о том, что с увеличением скорости движения клети КПД электропривода увеличивается, т.е. с энергетической точки зрения работа данного электропривода на максимальной скорости наиболее эффективная.

11. Разработка принципиальной электрической схемы электропривода и описание ее работы

Принципиальная электрическая схема электропривода представлена на рисунке А.1 в приложении А.

Первичная обмотка трансформатора TV с помощью автоматического выключателя QF1 подключается к питающей сети ~3-TN-S, 380 В, 50 Гц. Вторичная обмотка трансформатора TV питает силовую цепь и систему управления тиристорного преобразователя UZ. Преобразователь питает двигатель постоянного тока M1. Обмотка возбуждения питается от силового выпрямителя, подключенного к фазному напряжению сети 220 В с помощью автоматического выключается QF2 (силовой выпрямитель входит в состав преобразователя UZ). Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором М2, приводящий во вращение независимый вентилятор, встроенный в двигатель постоянного тока, подключается к питающей сети посредством автоматического выключателя QF3. Цепь управления питается от фазного напряжения сети 220 В через автоматический выключатель QF4 и однофазный выпрямитель VD1...VD4.

Назначение клемм преобразователя UZ описаны в таблице 13.

Таблица 13 - Назначение клемм и разъемов преобразователя

Наименование контакта	Обозначение контакта	Назначение контакта
А3 В3 С3	А3 В3 С3	Подключение силового выпрямителя якорной цепи к сети
1 8	1 8	Подключение якоря двигателя к блоку управления
1 2	А8 С8	Подключение силового выпрямителя цепи возбуждения к сети
3 4	9 10	Подключение обмотки возбуждения двигателя к блоку управления
А1 В1 С1	1в 2в 3в	Питание схемы управления блока управления
Общий	0с	Контакт «Общий» должен соединяться с нулем сети или занулением
Работа +15 В	0а 3а	Цепь включения электропривода при замыкании контакта: разрешение работы и подача сигнала задания
Сброс Общий	8а 2с	Цепь сброса защит в блоке регулирования при замыкании контакта
Наименование контакта	Обозначение контакта	Назначение контакта
RTM Общий	7с 2с	Подключение цепи терморезистора двигателя (при , при )
Выход1 УЗ +24 В	7а 2а	Цепь внешней сигнализации срабатывания защиты
Вход УЗ Общий	8с 2с	Цепь аварийного отключения электропривода при замыкании внешнего контакта
+15 В Общий РС -15 В	3а 9а 4а	Цепь питания ручного задатчика скорости
Ubr Общий РС	0в 9а	Подключение цепи тахогенератора
Вход ЗИ Общий РС	9с 9а	Цепь задания скорости от ручного задатчика

Рассмотрим работу схемы. В исходном состоянии клеть с грузом находится на дне шахты. При включенном вентиляторе М2 контакты реле напряжений KV1 и KV2 замкнуты. Контакт путевого выключателя SQ2 находится в разомкнутом положении (запустить электропривод на спуск клети не удастся), а электромагнитный тормоз YB отключен и удерживает вал электродвигателя в неподвижном состоянии. При нажатии на кнопку SB4 включается промежуточное реле KL1. При этом обеспечивается его самопитание, а также осуществляется подача задания на скорость («Вперед», скорость задается сопротивлениям резистора R2). Кроме того, промежуточное реле KL1 подключает к питанию контактор К, который включает катушку электромагнитного тормоза, после чего последний растормаживает вал. Одновременно с этим на преобразователь подается разрешение на работу двигателя, а также замыкается вспомогательный контакт контактора К, находящийся в цепи питания реле времени КТ, которое начинает отсчет выдержки времени включения. За это время преобразователь UZ, получив разрешение на работу привода и задание на скорость, подает питание на электродвигатель М1 и в цепи якоря появляется ток. Срабатывает реле тока KA, которое разрывает подачу питания на реле времени KT. Реле времени, таким образом, не срабатывает, поскольку за время уставки ток якоря успевает увеличиться до тока срабатывания реле минимального тока КА. Тем временем, двигатель М1 разгоняется, и срабатывает датчик скорости BV, который замыкает контакт в цепи питания контактора К. Двигатель М1 разгоняется до заданной скорости и поднимает клеть с грузом. При достижении крайнего верхнего положения клети срабатывает путевой выключатель SQ1, который отключает промежуточное реле KL1. Поскольку контакты датчика скорости BV и реле времени КТ замкнуты, контактор К останется включенным, разрешение работы двигателя сохранится, однако задание на скорость исчезнет, т.е. будет задана нулевая скорость. Преобразователь начнет процесс торможения двигателя в рекуперативном режиме. Когда скорость двигателя станет близкой к нулю, контакт датчика скорости BV разомкнется и контактор К отключится. Разрешение работы двигателя прекратится, и преобразователь отключит двигатель от сети, будет наложен электромагнитный тормоз на вал двигателя. Поскольку ток якоря при отключенном двигателе станет равным нулю, реле тока КА замкнет контакт в цепи питания реле времени КТ, однако незадолго до этого отключился контактор К, что сделало недопустимым включение реле времени КТ. Схема готова выполнению спуска клети без груза.

При нажатии кнопки SB5 аналогичным образом произойдет разгон двигателя в обратную сторону и торможение в исходном положении.

При нажатии кнопки SB3 во время движения произойдет торможение двигателя, и его остановка в штатном режиме вышеописанным образом.

В преобразователе предусмотрены следующие виды защит:

а) исчезновения напряжения сети;

б) неправильного чередования фаз;

в) перенапряжений;

г) токовых перегрузок цепей якоря и возбуждения;

д) перегрева преобразователя (в том числе по причине исчезновения вентиляции);

е) перегрева электродвигателя (от токовых перегрузок);

ж) превышения максимальной скорости двигателя;

з) обрыва цепи тахогенератора;

и) обрыва цепи тока возбуждения.

При срабатывании любой из защит загорается лампа HL. Чтобы запустить привод вновь, необходимо нажать на кнопку сброса защит SB1. Кнопка SB2 предназначена для аварийного отключения электропривода.

В схеме предусмотрена защита от коротких замыканий и перегрузок в силовых цепях и цепи управления (QF1…QF4), путевая защита (SQ1 и SQ2), электрическая блокировка реверсивных реле KL1 и KL2, нулевая защита по напряжению (KL1 и KL2), защита от запуска двигателя при отсутствии его охлаждения (реле напряжения KV1 и KV2), а также защита от снятия тормоза при отключенном двигателе. Суть этой защиты заключается в том, что при отсутствии тока якоря (обрыв цепи якоря или аварийное отключение привода) на вал двигателя будет наложен электромагнитный тормоз. Пусть производится спуск клети без груза с заданной скоростью, и пусть внезапно по каким-либо причинам произошло короткое замыкание в силовой цепи. Автоматический выключатель QF1 отключит преобразователь и двигатель от сети, в результате чего двигатель перестает создавать статический момент на валу и клеть продолжает движение вниз с ускорением. Так как двигатель отключен и тока в цепи якоря теперь нет, то реле тока КА замыкает контакт в цепи питания реле времени КТ, а поскольку контактор К на данный момент был включен, то реле времени включается и начинает отсчет выдержки времени на срабатывание. По истечении выдержки времени реле встает на самопитание и отключает промежуточные реле KL1 и KL2, а также разрывает цепь питания контактора К, который отключит катушку электромагнитного тормоза. Последний затормозит вал электродвигателя до полной остановки. Чтобы запустить привод вновь, после подключения силовой цепи к сети необходимо нажать кнопку сброса SB1, которая отключит реле времени КТ и вернет схему в исходное состояние. Поскольку в процессе работы ток дв...