Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ и НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Смоленске

Кафедра Электромеханических систем

Направление подготовки: 140400 Электроэнергетика и электротехника

БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА

Профиль подготовки: «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов»

Тема: Электропривод механизма циклического действия

Студент ЭП-11 Суханов Г.А.

группа подпись фамилия И.О.

Руководитель к.т.н., доцент Барышников В.А.

уч. степень, должность подпись фамилия И.О.

Смоленск 2015 г.



АННОТАЦИЯ

Суханов Г.А. Электропривод механизма циклического действия.

Выпускная работа. Филиал ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске, 2015.

В работе приведен выбор схемы электропривода механизма циклического действия, выбран и проверен двигатель, а также силовые элементы. Исследованы статические и динамические свойства системы и рассчитаны энергетические показатели за цикл работы привода.



ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ВЫБОР СХЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

1.1 Исходные данные для проектирования

1.2 Выбор схемы электропривода

1.3 Расчет нагрузочных диаграмм и выбор двигателя

1.4 Расчет силового преобразователя

2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1 Расчет и построение статических характеристик в разомкнутой системе

2.2 Выбор структуры замкнутой системы электропривода, расчет ее параметров

2.3 Расчет построение статических характеристик в замкнутой системе

2.4 Разработка схемы управления электропривода

3. АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ

3.1 Математическое описание электропривода

3.2 Расчет и построение переходных процессов

4. РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

4.1 Построение уточненной нагрузочной диаграммы двигателя за цикл

4.2 Проверка двигателя по нагреву и по перегрузке по нагрузочной диаграмме

4.3 Расчет интегральных энергетических показателей за цикл работы электропривода

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



ВВЕДЕНИЕ

Электрическим приводом называется электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочих органов машин и управления их технологическими процессами, состоящее из передаточного устройства, электродвигательного устройства, преобразовательного устройства и управляющего устройства.

Передаточное устройство содержит механические передачи и соединительные муфты, необходимые для передачи вырабатываемой двигателем механической энергии исполнительному механизму.

Преобразовательное устройство предназначается для управления потоком электрической энергии, поступающим из сети с целью регулирования режимов работы двигателя и механизма. Оно представляет собой энергетическую исполнительную часть системы управления электроприводом.

Управляющее устройство представляет собой информационную слаботочную часть системы управления, предназначенную для фиксации и обработки поступающей информации о задающих воздействиях и состоянии системы и выработки на ее основе сигналов управления преобразовательным, электродвигательным и другими устройствами.

Автоматизированный электропривод в настоящее время получил широчайшее применение во всех сферах жизни и деятельности. Такое распространение электропривод получил благодаря таким его особенностям, как экономичность, низкая стоимость, широкий диапазон мощностей, компактность, сравнительная простота реализации, относительная простота управления и контроля над технологическим процессом и др., совершенствование технических показателей. Соответственно, совершенствование технических показателей электроприводов во всех областях применения является основой технического прогресса.

В настоящее время существует множество различных систем управления приводами. Это система электропривода с асинхронными фазными двигателями и торможением противовключением, электроприводы с импульсно-ключевыми коммутаторами в цепи ротора асинхронных фазных электродвигателей, крановые электроприводы с тиристорными преобразователями напряжения в цепи статора асинхронного двигателя, системы управления двигателями постоянного тока, реализованные на основе управляемых выпрямителей, либо импульсных модуляторов и т. д.

Целью данной выпускной работы является разработка электропривода передвижения тележки по системе «тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока». В выпускной работе охватываются такие вопросы, как выбор схемы электропривода, разработка системы управления электроприводом, анализ динамических свойств замкнутой системы, расчет энергетических показателей электропривода.



1. ВЫБОР СХЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

1.1 Исходные данные для проектирования

масса тележки m_тел=1500 кг;

масса груза m_гр=20000 кг;

скорость передвижения х=30 м/мин;

путь перемещения тележки S=35 м;

продолжительность включения ПВ=35%;

диаметр ходового колеса D_к=0,45 м;

диаметр цапфы ходового колеса: D_ц=0,08 м;

передаточное отношение редуктора i_р=44;

КПД передач: з=0,8 при движении с грузом, з=0,28 при движении без груза.

Цикл состоит из передвижения с грузом, паузы, передвижения без груза и паузы.

В начале движения и перед остановкой скорость уменьшается до 5 м/мин.

Допустимое ускорение а=0,2 м/с²

Рис. 1.1. Кинематическая схема механизма передвижения тележки.

Цифрами на рисунке обозначены:

1 - электродвигатель;

2 - тормоз;

3 - редуктор;

4 - муфта;

5 - ходовое колесо.

Требования, предъявляемые к электроприводу:

1) обеспечение заданной рабочей скорости механизма при движении в обоих направлениях в диапазоне D=30/5=6;

2) обеспечение заданного ускорения и замедления =0.2 м/с² при пуске и торможении;

3) плавность регулирования скорости;

4) ограничение момента стопорным значением, равным 2,5 номинального момента;

5) относительный перепад скорости д=0,1;

6) перерегулирование скорости у=10%;

7) обеспечение реверсирования;

По исходным значениям определим заданный статический перепад скорости:

1.2 Выбор схемы электропривода

Для осуществления автоматического регулирования предусматриваются управляемые преобразователи и регуляторы, позволяющие автоматически под воздействием обратных связей осуществлять регулирование координат электропривода, в частности момента и скорости. В общепромышленных механизмах используются электромашинные и вентильные управляемые преобразователи напряжения постоянного тока и частоты переменного тока и соответствующие системы ЭП: система генератор - двигатель (Г-Д); система тиристорный преобразователь - двигатель (ТП-Д); система преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ-АД). Также скорость и момент можно изменять путем реостатного регулирования.

Все вышеперечисленные системы имеют ряд преимуществ и недостатков.

Реостатное регулирование применимо лишь в случае низких требований к плавности, точности и экономичности регулирования. К недостаткам относятся и невысокие массогабаритные показатели, обусловленные наличием резисторов и коммутирующей аппаратуры. Однако, в вышеописанных рамках данный способ имеет преимущество за счет своей низкой стоимости, простоты реализации и обслуживания.

В настоящее время продолжает успешно применяться система Г-Д. Ее основными достоинствами являются отсутствие искажений потребляемого из сети тока и относительно небольшое потребление реактивной мощности. При применении синхронного двигателя в преобразовательном агрегате путем регулирования тока возбуждения можно обеспечить работу ЭП с cos для компенсации реактивной мощности, потребляемой другими установками.

Однако системе Г-Д присущи несколько серьезных недостатков, определяемых необходимостью трехкратного электромеханического преобразования энергии. Это низкие массогабаритные и энергетические показатели, низкий общий КПД системы, низкий коэффициент усиления системы, высокая стоимость и материалоемкость, а также требования к наличию специального фундамента (при достаточно высокой мощности электропривода).

Существенные преимущества асинхронного двигателя определяют несомненную перспективность системы ПЧ-АД. Она также обеспечивается значительным прогрессом в области силовой полупроводниковой техники (в частности силовых транзисторов). Однако регулирование частоты представляет собой технически более сложную задачу, чем регулирование выпрямленного напряжения, так как, как правило, требует дополнительных ступеней преобразования энергии. Коэффициент полезного действия системы ПЧ-АД ниже, чем в системе ТП-Д, ниже быстродействие и экономичность.

В случаях отсутствия требований к широким пределам регулирования скорости несомненными преимуществами обладают схемы с включением в роторную цепь АД дополнительных ступеней преобразования энергии. К плюсам подобных систем можно отнести достаточно низкую стоимость (за счет использования относительно недорогих асинхронных двигателей с фазным ротором) плавность регулирования и низкую установленную мощность преобразователей (т. к. ими преобразуется энергия скольжения, которая при частотах, близких к номинальным достаточно мала).

В выпускной работе разрабатывается электропривод, требующий широких пределов регулирования скорости. Это объясняется требованием плавного пуска при высокой инерционности рабочего органа (и, как следствие, высокими значениями динамических моментов). Исходя из этого предпочтение отдано электроприводу постоянного тока по системе тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока. Эта система в настоящее время наиболее широко используется из-за ее несомненных преимуществ. Она более экономична, обладает высоким быстродействием (постоянная времени Т_п при полупроводниковой СИФУ не превосходит 0,01 с), имеет довольно высокий КПД. Потери энергии в тиристорах при протекании номинального тока составляет 1-2% номинальной мощности привода. Кроме того Реализация данной системы значительно проще реализации асинхронного электропривода с питанием от преобразователя частоты.

Недостатками тиристорного преобразователя является изменяющийся в широких пределах coscos, значительное искажение формы потребляемого из сети тока, а так же высокий уровень помех на высоких частотах.

Схема преобразователя принята мостовая реверсивная с совместным согласованным управлением вентильными группами.

1.3 Расчет нагрузочных диаграмм и выбор двигателя.

Расчет ведем по методике изложенной в [1].

Построение нагрузочной диаграммы и тахограммы.

Движение с грузом.

Вес тележки и груза:

Результирующее усилие при движении с грузом:

f=0,0005 - коэффициент трения качения;

м=0,08 - коэффициент трения скольжения;

k_p=2 -коэффициент реборд;

Сила трения при движении с грузом:

Статический момент с грузом:

где -передаточное число редуктора;

-КПД при полной загрузке.

Движение без груза.

Вес тележки без груза:

Сила трения при движении без груза:

Статический момент без груза:

Расчет времени цикла:

Время работы с грузом и без груза одинаково:

Учитывая продолжительность включения ПВ=35%, найдем время цикла:

Время паузы:

Предварительная нагрузочная диаграмма и тахограмма приведены на рис.1.2

Рис.1.2 Предварительная нагрузочная диаграмма и тахограмма.

Предварительный выбор двигателя из серии S1:

Определим эквивалентный момент:

Угловая скорость колеса тележки и номинальная расчетная скорость двигателя:



Расчетная частота вращения двигателя:

Расчетная мощность двигателя:

где k_з=1,2 - коэффициент запаса, приблизительно учитывающий динамический момент механизма и двигателя;

Выберем двигатель 2ПФ132LГУХ4 с техническими данными серии S1[2]:

Мощность: 2.8 кВт

Напряжение: 220 В

Номинальная частота вращения: 950 об/мин

КПД: 67%

Класс изоляции - B(130 °С) расчетная 90°С

Сопротивление обмотки при 15 °С, Ом:

- якоря: 1,08 Ом

- добавочных полюсов: 0,915 Ом

- возбуждения: 25 Ом

Индуктивность цепи якоря: 23мГн

Момент инерции: 0,048 кг·м²

Номинальная угловая скорость двигателя:



Расчет параметров двигателя:

где t_раб=90°С - рабочая температура;

t_раб=15°С -температура в холодном состоянии;

б=0.004 - температурный коэффициент сопротивления меди;

Суммарное сопротивление обмотки якоря и дополнительных полюсов:

Суммарное сопротивление обмотки якоря и дополнительных полюсов, приведенное к рабочей температуре:

Сопротивление цепи якоря при рабочей температуре:

где R_щ - сопротивление щеточного контакта;



где U_щ=2 В - падение напряжения на щеточном контакте;

I_дв - ток якорной цепи:

Ток возбуждения:

Номинальный ток якоря:

Коэффициент ЭДС двигателя:

Определим номинальный момент двигателя:

Определим допустимый момент двигателя:

где л=2.5 перегрузочная способность двигателя на время не более 60 c.

Проверка выбора двигателя:

Найдем суммарный момент инерции привода:

Приведенный момент инерции при движении с грузом:

где с - радиус приведения

Приведенный момент инерции при движении без груза:

Принимаем момент инерции неучтенных вращающихся частей равным 20% от момента инерции двигателя.

Суммарный момент инерции привода, приведенный к валу двигателя при перемещении с грузом:

Суммарный момент инерции привода, приведенный к валу двигателя при перемещении без груза:

Найдем допустимое угловое ускорение:

Найдем динамический момент при движении с грузом:

Найдем динамический момент при движении без груза:

Рассчитаем уточненную нагрузочную диаграмму и тахограмму.

Время работы привода с грузом с учетом ускорения:

1. С нуля до пониженной скорости:

Пройденный путь:

2. С пониженной скорости до номинальной

Пройденный путь:



/2 - средняя скорость движения по участку

3. Пройденный путь на пониженной скорости за заданное время t₃=2 с:

Весь путь за половину времени цикла:

где s₄ - путь, пройденный на номинальной скорости

Время работы на номинальной скорости:

Время работы привода без груза с учетом ускорения:

1. С нуля до пониженной скорости:

Пройденный путь:

2. С пониженной скорости до номинальной

Пройденный путь:

/2 - средняя скорость движения по участку

3. Пройденный путь на пониженной скорости за заданное время t₃=2 с:

Весь путь за половину времени цикла:

где s₄ - путь, пройденный на номинальной скорости

Время работы на номинальной скорости:



Новое время работы:

Новое время цикла:

Время паузы:

Максимальный и минимальный момент по нагрузочной диаграмме с грузом:

Максимальный и минимальный момент по нагрузочной диаграмме без груза:



Момент привода с грузом с учетом ускорения:

1. С нуля до пониженной скорости за t₁=0,415с:

=

2. С пониженной скорости до номинальной за t₃=2,085 с:

=

3. Момент на пониженной скорости за заданное времяt₂=2 с:

=

4. Момент на номинальной скорости за t₄=66,836с:

=

5. С номинальной скорости до пониженной за t₅=t₃=2,085 с:

=

6. Момент на пониженной скорости за заданное времяt₆=t₂=2 с:

=

7. С пониженной скорости до нуля t₇=t₁=0,415с:

=

Момент привода без груза с учетом ускорения:

1. С нуля до пониженной скорости за t₁=0,415с:

=

2. С пониженной скорости до номинальной за t₃=2,085 с:

=

3. Момент на пониженной скорости за заданное времяt₂=2 с:

=

4. Момент на номинальной скорости за t₄=66,836с:

=

5. С номинальной скорости до пониженной за t₅=t₃=2,085 с:

=

6. Момент на пониженной скорости за заданное время t₆=t₂=2 с:

=

7. С пониженной скорости до нуля t₇=t₁=0,415с:

=

Уточненная нагрузочная диаграмма и тахограмма приведены на рис. 1.4.

Рис.1.4 Уточненная нагрузочная диаграмма и тахограмма.

По уточненной нагрузочной диаграмме найдем эквивалентный момент:

Обозначим:

Максимальный момент по нагрузочной диаграмме:

Двигатель подходит по условиям нагрева и перегрузки.

1.4 Расчет силового преобразователя (регулятора)

Для питания якорей двигателей постоянного тока широко используют две схемы: трехфазную нулевую и трехфазную мостовую.

Трехфазная мостовая схема имеет следующие преимущества перед трехфазной нулевой:

- меньшая установленная мощность трансформатора;

- вдвое большие по частоте и меньшие по амплитуде пульсации выпрямленной ЭДС, что приводит при прочих равных условиях к меньшим пульсациям тока и меньшей величине зоны прерывистых токов;

- возможность применения тиристоров более низкого класса.

Эти достоинства обуславливают преимущественное применение трехфазной мостовой схемы в системах электропривода мощностью в десятки - сотни киловатт.

Для обеспечения реверса электродвигателя широко используются два вида трехфазных мостовых схем: с совместным согласованным управлением вентильными группами и раздельным управлением вентильными группами.

Основу этих схем составляют два трехфазных моста, которые обеспечивают протекание выпрямленного тока в прямом или обратном (при реверсе) направлении.

При совместном управлении отпирающие импульсы подаются одновременно на тиристоры обоих комплектов. В результате образуется замкнутый проводящий контур, в котором вследствие неравенства мгновенных значений выпрямленных ЭДС мостов протекает пульсирующий уравнительный ток. Для его ограничения в схему включают два или четыре уравнительных дросселя, что увеличивает инерционность ЭП.

При раздельном управлении открывающие импульсы подаются только на один комплект тиристоров, находящийся в работе. Другой комплект при этом закрыт. В связи с этим отсутствует необходимость в уравнительных дросселях. Это снижает массогабаритные показатели ТП. Однако при малых нагрузках выпрямленный ток становится прерывистым.

Так как нагрузка на двигатель достаточно мала, то в качестве силовой схемы ЭП будем применять преобразователь, выполненный по трехфазной мостовой реверсивной схеме с совместным согласованным управлением.

Выбор силовых элементов ведется по методике, изложенной в[6].

Схема силовой части электропривода представлена на рис. 1.5.



Рис.1.5 Схема силовой части электропривода

Выбор силового трансформатора:

Фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора:

где k_U=0,427 - коэффициент, характеризующий отношение напряжений U_2ф/U_dв идеальном выпрямителе;

k_c=1,05 - коэффициент, учитывающий возможность снижения напряжения сети на 5-10% от U_сном;

k_б=1,05 - коэффициент, учитывающий неполное открывание тиристоров;

k_R=1,05 - коэффициент, учитывающий падение напряжения на обмотках трансформатора и на тиристорах;

U_d=U_н=220 В.

Линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора:

Расчетное действующее значение фазного тока вторичной обмотки трансформатора:

где k_I=0,858 - коэффициент схемы, характеризующий отношение токов I_2ф/I_дв в идеальном выпрямителе;

k_i=1,05 - коэффициент, учитывающий отклонение формы анодного тока тиристоров от прямоугольной.

Типовая мощность трансформатора:

Условия выбора трансформатора:



По [3] выбираем трансформатор ТСП-10/0,7-УХЛ4:

S_тр=7,3кВА, U_1ном=380 В, U_2ном=230 В (линейное),

Номинальный первичный ток:

Номинальный вторичный ток:

потери ХХ: Р_хх=130 Вт;

потери КЗ: Р_кз=320 Вт;

Применяем совместное согласованное управление вентилями.

Выбор уравнительных дросселей:

Расчетная величина тока, протекающего через уравнительный дроссель:

где

Требуемая величина индуктивности уравнительного дросселя:

электропривод нагрев двигатель

где

Удвоенное действующее значение первой гармоники выпрямленного напряжения при б=90° и m=6 (число фаз преобразователя):

Величина индуктивности каждого из не насыщающихся дросселей:

Условия выбора уравнительных дросселей:

Выбор ведем по [7].

Выбираем реактор ДФ-1:

I_уд=25 А;

L_уд=0,25 Гн;

R_уд=0,3 Ом;

Выбор индуктивности сглаживающего реактора:

Необходимая индуктивность якорной цепи:

Где

Действующее значение первой гармоники выпрямленного напряжения:

Минимальный ток нагрузки преобразователя:

Индуктивность трансформатора:

где U_k=2.2- напряжение КЗ трансформатора в %

Необходимая индуктивность сглаживающего реактора:

Следовательно, сглаживающий реактор в якорную цепь двигателя не требуется.

Выбор тиристоров:

Среднее значение прямого тока через тиристор:

где

k_3i=2,5 - коэффициент запаса по току, учитывающий кратность пускового тока;

m_тр=3 - число фаз трансформатора;

k_охл=1 - коэффициент, учитывающий интенсивность охлаждения. k_охл=1 при принудительном воздушном охлаждении.

Максимальная величина обратного напряжения на тиристоре:

где

k_3U=1,6 - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможные повышения напряжения питающей сети и периодические выбросы U_обр, обусловленные процессом коммутации вентилей;

k_Uобр=1,05 - коэффициент обратного напряжения

U_2ф/k_U - напряжение на выходе преобразователя при б=0.

Выбираем тиристоры из условий:

I_ср.т - максимально допустимый ток в открытом состоянии;

U_DRM - повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии и повторяющееся импульсное обратное напряжение.

По [6] выбираем тиристорные модули М2ТБ-40

Рис.1.6 Модуль тиристорный быстродействующий М2ТБ-40.

U_DRM=600 В

I_ср.т=40 А

Пороговое напряжение U_пор=1 В.

Тиристорный преобразователь представляет из себя шесть модулей, изображенных на рис.1.6 и соединенных так, как изображено на рис.1.5 .

Определим параметры силовой цепи:

Расчетное сопротивление цепи выпрямленного тока:

где

активное сопротивление фазы трансформатора:

индуктивное сопротивление фазы трансформатора:

Расчетная индуктивность цепи якоря:



Электромеханическая постоянная времени:

где

модуль жесткости статической характеристики:

Постоянная времени цепи якоря:

Для управления тиристорным преобразователем (ТП) выбираем полупроводниковую систему импульсно-фазового управления (СИФУ) с вертикальным принципом управления.

Структурная схема представлена на рис.1.7.

Рис.1.7 Структурная схема СИФУ.



ГПН - генератор пилообразного напряжения, ВУ - входное устройство, ГИ - генератор импульсов, УС - устройство сравнения.

Функциональная схема одного канала такой системы представлена на рис.1.7.

Рис.1.8 Функциональная схема одного канала СИФУ.

В эту систему входят фазосдвигающее устройство, которое содержит генератор опорного напряжения и нуль-орган. На вход нуль-орган кроме опорного напряжения подаётся также напряжение управления . В момент равенства опорного напряжения и напряжения управления,нуль-орган переключается, и в этот же момент формирователь импульсов выдаёт управляющий импульс .

Опорное напряжение СИФУ примем синусоидальным. Это позволяет получить арккосинусную регулировочную характеристику (см. рис.1.9), а в конечном итоге линейную характеристику управления преобразователя (см. рис.1.10).



Рис.1.9 Арккосинусная регулировочная характеристика.

Максимальная ЭДС преобразователя при угле управления б=0°:

Стопорный ток:

где л=2,5 - допустимая кратность пускового тока

Примем рекомендуемое значение = 10є:

С учетом ограничения угла управления:

Построим линейную характеристику управления преобразователя:

Коэффициент пропорциональности:

Рис.1.10 Характеристика управления преобразователя

Выводы: В данной главе установлено, что схема электропривода будет выполняться по системе тиристорный преобразователь - двигатель, т.к. эта система имеет лучшие показатели в отличие от системы генератор - двигатель. Принято, что тиристорный преобразователь выполняется по трехфазной мостовой схеме с совместным согласованным управлением. Произведен выбор двигателя, а также его проверка по нагреву и перегрузочной способности.



2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1 Расчет и построение статических характеристик в разомкнутой системе

Определим требуемую величину ЭДС преобразователя для каждого интервала движения

Уравнение механической характеристики:

Необходимая ЭДС преобразователя:

Естественная механическая характеристика:

Рассчитаем ЭДС преобразователя при движении с грузом на пониженной и основной скоростях:

Необходимая ЭДС преобразователя при М_сг=44.34Н·м и пониженной скорости



Необходимая ЭДС преобразователя при Мн=35.16Н·м и щн=рад/с:

Рассчитаем статические механические характеристики:

Уравнение разомкнутой характеристики при Еп1.необх=:

Уравнение разомкнутой характеристики при Еп2.ном=:

Уравнение естественной механической характеристики при :



Рис. 2.1 Статические механические характеристики разомкнутой системы.

Статический перепад скорости разомкнутой системы:

Поскольку условие , не выполняются, строится замкнутая система.

2.2 Выбор структуры замкнутой системы электропривода, расчет ее параметров

На индивидуальный электропривод возлагаются две важнейшие взаимно связанные функции: электромеханическое преобразование энергии и управление технологическим процессом установки. При приведении в движение исполнительного механизма электропривод должен вырабатывать или потреблять механическую энергию в соответствии с выполняемой механизмом работой. При управлении технологическим процессом установки необходимо управлять потоком электрической энергии, потребляемой или вырабатываемой электроприводом, таким образом, чтобы механические переменные (момент двигателя, скорость и ускорение механизма, положение его рабочего органа, нагрузки механических связей и т.д.) либо поддерживались на требуемом уровне, либо изменялись по заданным законам с требуемой по условиям технологии точностью. Так как на изменение переменных электромеханической системы наложены ограничения, управление должно обеспечивать ограничение электрических и механических переменных их допустимыми значениями во всех режимах работы.

Таким образом, общая задача управления движением электропривода для выполнения технологического процесса установки определяет необходимость регулирования переменных электромеханической системы, т.е. координат электропривода.

По структуре замкнутые системы регулирования скорости и тока выполняются трех видов: с промежуточным (суммирующим) усилителем, с независимым регулированием параметров, с подчиненным регулированием параметров.

Сущность метода подчиненного регулирования координат состоит в том, что для регулирования каждой координаты используется отдельный регулятор и соответствующая жесткая обратная связь. Внутренний контур регулирования управляется сигналом от внешнего, поэтому является подчиненным ему. Система с подчиненным регулированием позволяет настраивать каждый контур отдельно, начиная с внутреннего, и делать это независимо от настройки внешнего контура, ограничивая значения параметров путем ограничения выходного сигнала предыдущего контура, что является преимуществом по сравнению с системой с суммирующим усилителем.

В данном проекте компенсации подлежат постоянная времени цепи якоря Т_Я и электромеханическая постоянная времени Т_М. Для реализации системы используются два регулятора: регулятор скорости (внешний контур регулирования) и регулятор тока (внутренний контур регулирования). Функциональная схема такой системы регулирования представлена на рис.2.2.

Рис. 2.2 Структурная схема системы регулирования.

Расчет параметров контура тока

Рис.2.3 Структурная схема системы электропривода с последовательной коррекцией контура тока

На структурной схеме ТП представлен звеном, учитывающим его чистое запаздывание _П и инерционность фильтров СИФУ Т_Ф. Регулятор тока представлен звеном с передаточной функцией W_рт. Передаточная функция объекта регулирования с учетом внутренней обратной связи по ЭДС двигателя имеет вид:

При расчете контура тока отнесем инерционность фильтров СИФУ Т_Ф и запаздывание тиристорного преобразователя _П к некомпенсируемым инерционностям‚ приняв некомпенсированную постоянную времени:

При синтезе регулятора тока пренебрежем влиянием внутренней обратной связи по ЭДС двигателя‚ которая сказывается на точности регулирования тока‚ но незначительно влияет на динамические показатели. При этих допущениях структурная схема контура регулирования тока имеет жесткую отрицательную связь потоку и примет вид‚ представленный на рис.2.4.

При одноконтурной схеме регулирования скорости потребуется пропорционально интегрально - дифференциальный регулятор (ПИД - регулятор). Чтобы иметь более простой регулятор‚ а также имея в виду то‚ что при регулировании скорости необходимо регулировать и ток двигателя‚ обычно в систему ТП - Д вводится подчиненный контур регулирования тока.

Рис. 2.4 Структурная схема контура регулирования тока.

Передаточная функция объекта регулирования тока:



Поскольку настройка системы производится на технический оптимум, то а_с=а_т=2.

Передаточная функция регулятора тока:

где постоянная интегрирования регулятора:

Постоянная времени цепи обратной связи (компенсирующая постоянная):

Задавшись С_ост=1 мкФ, определим:

Учитывая значение стопорного тока I_стоп=53.958А, по [5] выбираем шунт 75ШИП-75 по условию I_шн>I_стоп.

номинальный ток: I_шн=60 А

номинальное падение напряжения: U_шн=0,075 В

номинальное сопротивление: R_ш=1250 мкОм

Для расчета параметров схемы задаемся максимальным значением напряжения задания тока U_зт.max=10 В. Далее определяем коэффициент обратной связи по току:

Коэффициент передачи шунта равный его сопротивлению:

Учитывая, что выходное напряжение датчика тока U_дт=10 В, определяем коэффициент передачи датчика тока:

Определяем постоянную интегрирования регулятора:

Определим сопротивление:

Коэффициент усиления по току:



Сопротивление на входе регулятора тока:

Расчет параметров контура скорости:

Структурная схема контура регулирования скорости при этом имеет вид‚ представленный на рис.2.5.

Рис.2.5Структурная схема контура регулирования скорости.

Объект регулирования скорости состоит из замкнутого контура регулирования тока и механического звена электропривода. Передаточная функция объекта регулирования скорости:

Заменив колебательное звено апериодическим‚ можно получить:

Для контура скорости некомпенсированная постоянная времени в а_Т раз больше‚ чем для контура тока: Т_с=а_Т·Т =2·0.01=0.02 с.

Желаемая передаточная функция разомкнутого контура:

Передаточная функция регулятора скорости:

Где

U_зс.max=10 В

Поскольку условие выбора настройки на технический оптимум не выполняются , то будет осуществлена настройка на симметричный оптимум с абсолютно жесткой замкнутой статической характеристикой.

Передаточная функция регулятора скорости примет вид:

Где

Коэффициент передачи регулятора скорости:

Задавшись Сосс=1 мкФ, определим величины:

Выберем тахогенератор ТП212-0,20-0,5:

номинальная частота вращения: 1000 об/мин

крутизна выходного напряжения 0,2 В/(об/мин )К_тг=0,2

Максимальная ЭДС тахогенератора:



Сопротивление на входе регулятора скорости:

Выходное напряжение регулятора скорости является сигналом задания тока. Для ограничения тока стопорным значением сопротивление R_ОСС шунтируют стабилитронами с напряжением пробоя U_СТ= U_ЗТ.МАХ=10 В.

Выберем резисторы, стабилитроны и конденсатор для регуляторов. Рассчитаем мощность, рассеиваемую резистором с минимальным сопротивлением, мощность, рассеиваемая другими резисторами, будет меньше:

Выбор ведем по [7].

Выберем резисторы С5-53Д с мощностью рассеяния Рр=0,125 Вт.

Выберем конденсатор С_ост К22-5:

напряжение конденсатора U_к=16 В;

емкость конденсатора С=1 мкФ.

Для ограничения сигнала задания тока выбираем стабилитроны 2С210А:

напряжение стабилизации U_ст=10 В.



2.3 Расчет и построение статических характеристик в замкнутой системе

Структурная схема замкнутой двухконтурной системы представлена рис.2.3. Статическая механическая характеристика в пределах изменения момента ММ_стоп описывается уравнением:

При моментеМ М_СТОП стабилитроны‚ шунтирующие цепь обратной связи регулятора скорости‚ ограничивают выходной сигнал регулятора скорости значением U_ЗТ= =U_ЗТ.МАХ=10 В. Контур регулирования скорости при этом по существу размыкается‚ и система работает как астатическая система регулирования тока.

Построим характеристики при движении с грузом на высокой и пониженной скорости.

На высокой скорости:

Уравнение характеристики:

На низкой скорости:

Уравнение характеристики:

Уравнение разомкнутой характеристики при Еп.макс=:



Рис. 2.6 Статические механические характеристики замкнутой системы.

Стопорный момент:

2.4 Разработка схемы управления электропривода

Схема управления предназначена для реализации производственного цикла, а также для защиты электропривода. Схема управления представлена на рис.2.7.

Описание работы релейно-контакторной схемы управления

При включении автоматического воздушного выключателя QF подается питание на тиристорный преобразователь, однофазный неуправляемый выпрямитель и блок питания БП. С неуправляемого выпрямителя напряжение подается через реостат RP3 на обмотку возбуждения и в схему управления.

При включении автоматического воздушного выключателя QF1подается питание на потенциометр RP1, с которого снимается напряжение задания. Изменение полярности напряжения задания производится с помощью управляющих контактов контакторов KV2 (103-104) и KV3 (105-106).

При протекании тока возбуждения срабатывает реле обрыва поля KF замыкая свои контакты 1-2. Далее рассматривается случай, когда рабочий орган находится в начальном положении и концевой выключатель SQ1 нажат. При нажатии на кнопку SB2 срабатывает контактор KМ1`, замыкаются его контакты 3-6 и питание подается в остальную часть схемы. Также, замкнувшись, контакты 3-4 ставят контактор KМ1` на самоблокировку, после чего кнопку SB2 можно отпустить. Производится пуск двигателя и его работа на пониженной скорости.

При нажатии на кнопку SB3 срабатывает реле KV2 которое производит подачу напряжения +U_з через его контакты 103-104 на задатчик интенсивности S. Кроме того, его контакты 6-7 ставят его на самоблокировку. Кнопка SB5 включает питание KV1, напряжение задания становится высоким, работа двигателя происходит на рабочей скорости. И контакты 13-14 ставят SB5 на самоблокировку.

Далее нажатием кнопки SB6 отключается реле KV1 и происходит переход на пониженную скорость. При наезде на SQ2 или нажатии кнопки SB7 отключается реле KV2 и подача задающего напряжения становится равна 0.

Нажатием кнопки SB4 производится пуск в обратном направлении(посредством подачи на задатчик интенсивности -U_з).

Управление электромагнитным тормозом обеспечивается с помощью контактора КМ2. Питание на него подается в случае включенных KV2 и KV3 (это обеспечивается контактами 6-16).



Питание релейно-контакторной схемы и обмотки возбуждения обеспечивается однофазным неуправляемым мостовым выпрямителем (диоды VD1 - VD4). Ток возбуждения регулируется потенциометром RP3.

Рис. 2.7 Схема управления

Тиристорный преобразователь, двигатель, электромагнитный тормоз и другие части силовой схемы защищаются от токов короткого замыкания с помощью максимально-токовых расцепителей автоматического выключателя QF. Аналогично защищены аналоговые элементы схемы управления. Релейно-контакторная схема и обмотка возбуждения защищены от токов короткого замыкания и перегрузки с помощью предохранителей FU1 и FU2.

В цепи обмотки возбуждения предусмотрено реле обрыва поля. В случае отсутствия тока в обмотке возбуждения (что равносильно очень малому значению основного потока, обусловленному лишь остаточным намагничиванием) контакты 3-6 остаются разомкнутыми и питание в схему не подается. Напряжение задания остается равным нулю.

Для предотвращения пробоя изоляции обмотки возбуждения во время отключения питания схемы предусмотрено разрядное сопротивление и диод VD5, запирающий данную ветвь во время протекания через обмотку возбуждения рабочего тока.

Описание двухконтурной системы регулирования

Управление полярностью напряжения обеспечивается с помощью контактов контакторов KV2 (103-104) и KV3 (105-106).

Схема состоит из двух контуров регулирования. Регулятор скорости (первого контура) пропорциональный, реализован на операционном усилителе (обозначение - AR); цепь обратной связи зашунтирована встречно включенными стабилитронами VD6 и VD7, обеспечивающими размыкание контура регулирования про достижении током стопорного значения. Регулятор тока (второго контура) пропорционально-интегральный, также реализован на операционном усилителе (обозначение - АА). Выходной сигнал регулятора тока используется в качестве напряжения задания для системы импульсно-фазового управления, определяя угол отпирания силовых тисторов VS1 - VS12.

Сигналы обратных связей поступают на суммирующие цепи регуляторов соответствующих датчиков. Сигнал с шунта поступает на датчик тока DA. Последний обеспечивает гальваническую развязку силовой цепи и цепи управления. В качестве датчика скорости применяется тахогенератор постоянного тока.

Выводы

В данной главе была разработана схема управления системы электропривода. В соответствии с силовой схемой электропривода были рассчитаны и построены статические характеристики в разомкнутой системе. Для обеспечения динамических показателей регулирования выбрана система подчиненного регулирования координат с настройкой на симметричный оптимум. Были рассчитаны элементы структурной схемы электропривода и построены статические характеристики в разомкнутой и замкнутой системах. Жесткость статических характеристик в разомкнутой системе оказалась меньше чем в замкнутой и статические показатели регулирования в разомкнутой системе получились хуже статических показателей замкнутой системы. Поэтому наиболее целесообразным представляется использование замкнутой системы регулирования координат с последовательной коррекцией. Данная схема обеспечивает достаточно высокое качество регулирования (в частности, малую величину статической ошибки регулирования скорости) и вместе с тем имеет простую реализацию.



3. АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ

3.1 Математическое описание электропривода

Двухконтурной системе подчиненного регулирования, если заменить р=d/dt, соответствует следующая структурная схема, изображенная на рис. 3.1.:

Рис. 3.1 Структурная схема ЭП с внешним контуром регулирования скорости и внутренним контуром регулирования тока при неизменном потоке возбуждения.

3.2 Расчет и построение переходных процессов

Моделирование проводим в среде MATLAB R2010a.

Запишем параметры структурной схемы:



Структурная схемы модели представлены ниже на рис.3.2. и рис. 3.3.

Рис. 3.2 Структурная схема контура регулирования тока.

Графики переходных процессов замкнутого контура по току представлены на рисунке 3.3

Рис. 3.3 Графики переходных процессов замкнутого контура по току

Настройки контура скорости:

Структурная схема контура скорости представлена на рисунке 3.4

Рисунок 3.4 -- Структурная схема контура скорости

Данная структурная схема содержит в себе контур тока, который неизменен:

Модель представлена на рисунке 3.5



Рисунок 3.5 -- Модель контура скорости

На рисунке 3.6 представлен график переходного процесса при пуске и приложении нагрузки(на 5-ой секунде) с входным сигналом Uз.с.max=10

Рисунок 3.6 -- Графики переходных процессов замкнутого контура по скорости

Скорость изменяется с перерегулированием и скачком тока. При приложении нагрузки происходит переходный процесс, после чего скорость восстанавливается, последнее объясняется настройкой системы на симметричный оптимум.

Так как при настройке контура скорости на работу с грузом, работа без груза сопровождается недопустимо большими колебаниями, использована настройка при Тм = 0.124 (без груза), что приводит к качественно работе привода без груза ,но к затянутому по времени переходому процессу при работе с грузом. Затянутый переходный процесс возникает из-за превышения пропорционального коэффициента регулятора скорости.

Для повышения жесткости механической характеристики и увеличения статической точности регулирования при изменении нагрузки вводится фильтр с передаточной функцией:

При этом настройка по управлению системы с ПИ-регулятором скорости будет соответствовать техническому оптимуму.

Характер переходных процессов в системе при этом соответствует настройке на технический оптимум.

При автоматическом регулировании координат быстродействие характеризуется показателями переходного процесса. Определим показатели без приложения нагрузки:

Время регулирования:

tр = 0.5 с

Время первого максимума:

tмаск = 0.67 с

Время переходного процесса:

tпп = 2.6 с

С приложенной нагрузкой:

Время регулирования:

tр = 0.5 с

Время первого максимума:

tмаск = 0.2 с

Время переходного процесса:

tпп = 3 с

Выводы

В данной главе были произведены расчёт и построение уточнённой нагрузочной диаграммы электропривода. Анализируя полученные переходные процессы можно заключить, что замкнутая система электропривода имеет высокое быстродействие, малое перерегулирование скорости при пуске, высокую плавность и точность отработки сигнала задания.



4. РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

4.1 Построение уточненной нагрузочной диаграммы двигателя за цикл

Построение проводим в среде Matlab.

Рис. 4.1. Уточненная нагрузочная диаграмма и тахограмма.

4.2 Проверка двигателя по нагреву и по перегрузке по нагрузочной диаграмме

Вычислим с помощью MathCad эквивалентный момент:

Ранее по нагрузочной диаграмме было получено: Ммакс=85 Н·м .



Двигатель подходит по нагреву и по перегрузке.

4.3 Расчет интегральных энергетических показателей за цикл работы электропривода

Расчет энергетических показателей ведется по методике, приведенной в [9].

При расчете энергетических показателей электропривода потери часто делят на постоянные и переменные. К постоянным относят потери в стали‚ потери на возбуждение и механические потери‚ к переменным - потери в меди .

Мощность потерь энергии:

где k - постоянные потери, -переменные потери.

Номинальные переменные потери:

Номинальные потери в двигателе:

Номинальные постоянные потери:

Изменением постоянных потерь при движении тележки пренебрегаем, вследствие малости времени. Реальные переменные потери являются функцией мгновенной мощности двигателя. Заменим мгновенную мощность средней мощностью за цикл. Тогда мощность переменных потерь определяется следующим выражением:

Для двигателя постоянного тока независимого возбуждения:

Тогда потери энергии за цикл:

Этот показатель можно вычислить с помощью MathCad:

W_полезн=1073 кДж.

Тогда цикловой КПД механизма:



Выводы

В данной главе с помощью уточнённой нагрузочной диаграммы электропривода была проведена проверка двигателя по условиям нагрева и перегрузки. Выбранный двигатель удовлетворяет всем необходимым условиям.

Для оценки энергетики электропривода были рассчитаны энергетические показатели за цикл работы электропривода (потери энергии за цикл работы, полезную энергию за цикл работы и цикловой КПД).



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе был исследован и разработан электропривод механизма передвижения тележки. Целью работы являлось закрепление, углубление и обобщение знаний в области теории электропривода путем решения комплексной задачи проектирования конкретного производственного механизма.

На основе исходных данных и технических требований была, в результате анализа, выбрана схема электропривода. Был сделан вывод, что наиболее рациональной системой в данном случае является система ТП-Д. Далее, по нагрузочным диаграммам был выбран двигатель постоянного тока серии 2П и произведена проверка по условиям нагрева и допустимой перегрузки. Оказалось, что выбранный двигатель удовлетворяет этим условиям. Также рассчитан силовой преобразователь и выбраны элементы мостовой реверсивной схемы: трансформатор, тиристоры, дроссель. Рассчитаны статические характеристики в замкнутой и разомкнутой системах, а также построена уточненная нагрузочная диаграмма за производственный цикл. Выбор структуры замкнутой системы, следуя рекомендациям, был остановлен на системе с подчиненным регулированием координат с применением настройки на симметричный оптимум. Разработана схема управления с применением релейной аппаратуры. Рассчитаны переходные процессы на ЭВМ, а их анализ, исходя из физических соображений, показал, что полученные динамические показатели соответствуют заданным.

В завершении работы рассчитаны энергетические показатели электропривода за цикл, достаточно полно отражающие такие свойства электропривода, как эффективность работы и экономичность. Рассчитаны работа за цикл, потери и КПД. Значение циклового КПД достаточно для подобных систем и составляет 79,1%.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основы теории электропривода. Часть первая. Конспект лекций по курсу «Электрический привод» [Текст]:конспект лекций / Данилова П.Е. - 2-е изд., испр. и доп.Смоленск, 2013.200 с.

Кацман М. М. Справочник по электрическим машинам: Учебное пособие. - М.: Академия, 2005 г.480 с.

Перельмутер В.М. Комплексные тиристорные электроприводы. - М.: Энергоатомиздат, 1988 г.261 с.

Анисимов В.А., Горнов А.О. Проектирование электротехнических устройств: Учебное пособие для вузов. - М.: МЭИ, 2001.

www.enmakso.ru/tehn.html

www.elvpr.ru/poluprovodnikprib/diodno_tirist_moduli/tirist-bistrodeistv1.php

Резисторы и конденсаторы. Справочник / И.И. Четвертаков - М.: Радио и связь, 1993.

Основы теории электропривода. Часть вторая: Конспект лекций по курсу «Электрический привод» [Текст]:конспект лекций / Данилова П.Е. - 2-е изд., испр. и доп.Смоленск, 2014.152 с.

Данилов П.Е. Энергетика электроприводов и выбор двигателей. Учебное пособие по курсу «Теория электропривода». - СФ МЭИ, изд.2-е, 2001.

Размещено на Allbest.ru

...