Электропривод вентилятора главного проветривания

Министерство образования РФ

Пермский Государственный Технический Университет

кафедра Электрификации и Автоматизации Горных Предприятий
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту по автоматизированному электроприводу горных машин и механизмов по схеме АВК.

Выполнил: студент гр. ЭАПУ-07-2 Печенкин А. С.

Проверил: преподаватель Седунин А. М.

Пермь — 2011

Содержание.
Задание по курсовому проекту……………………………………………3
Введение…………………………………………………………………….4
Выбор вентилятора главного проветривания…………………………….5
Выбор двигателя для вентиляторной установки…………………………6
Расчет и выбор остального электрооборудования……………………….7
Разработка и построение математической модели электропривода…11

Моделирование системы АВК на ЭВМ………………………………..17

Заключение…………………………………………………………………18

Список литературы………………………………………………………..19

1. Задание по курсовому проекту

Разработать электропривод вентилятора главного проветривания шахты (схема АВК).

Режим работы – длительный;

Наименование объекта – вентилятор главного проветривания;

Условия:

производительность 160  200 м³/с;

статическое давление 270  400 кгс/м²;

тип вентилятора – центробежный;

Трот = 0,01 сек;

Rрот = 0,008 Ом;

САУ статическая с ошибкой />;

2. Введение.

Электропривод по схеме « Асинхронно-вентильного каскада » получил широкое распространение в промышленности. Электропривод применяется, в основном, тогда, когда скорость требуется регулировать в малом диапазоне (сверху) и когда не требуется высокая точность регулирования. Это обуславливает применение « Асинхронно-вентильного каскада » в электроприводах со спокойным графиком нагрузки, т. е. у которых момент на валу изменяется не очень сильно (вентиляторы, компрессоры, насосы).

АВК является наиболее экономичной системой регулируемого электропривода переменного тока, так как в ней преобразуется лишь часть энергии, потребляемой асинхронной машиной — энергия скольжения.

В ряде случаев установленная мощность преобразователя АВК пропорциональна глубине регулирования и составляет лишь часть мощности привода.

Однако АВК присущи ряд недостатков, основным из которых является низкий коэффициент мощности, при этом максимальное потребление реактивной мощности имеет место в верхнем диапазоне регулирования скорости, являющимся обычно весьма продолжительным.

Процесс регулирования скорости в каскадных схемах включения асинхронного двигателя осуществляется введением встречной добавочной ЭДС, которая изменяется путем уменьшения (увеличения) угла отпирания тиристоров инвертора, в его роторную цепь. Если добавочная Э.Д.С. в роторной цепи равна нулю, то ток ротора определяется только Э.Д.С. обмотки ротора и ее параметрами. При введении в цепь ротора добавочной Э.Д.С. часть энергии скольжения потребляется источником добавочной Э.Д.С., а количество энергии, выделяемой в обмотке ротора, уменьшается, что приводит к уменьшению тока ротора. Уменьшение тока ротора вызовет уменьшение момента, развиваемого двигателем, который становится меньше статического момента нагрузки (Мст), скорость двигателя начинает уменьшаться, а ее уменьшение приводит к увеличению скольжения, а значит и Э.Д.С. ротора. Увеличение Э.Д.С. ротора приводит к увеличению тока ротора и момента двигателя.

Когда момент, развиваемый двигателем, вновь станет равным статическому моменту, двигатель перестанет замедляться и вновь будет работать в установившемся режиме, но уже при более низкой, чем ранее, скорости. Из сказанного вытекает, что при увеличении добавочной Э.Д.С. в роторе угловая скорость двигателя уменьшается, а при уменьшении – увеличивается. При добавочной Э.Д.С. равной нулю двигатель работает на механической характеристике, близкой к естественной.
3. Выбор вентилятора главного проветривания.
По исходным данным Q и Р выбираем центробежный вентилятор ВЦД 31,5 дм.
Техническая характеристика вентиляторной установки:

диаметр рабочего колеса, дм 3150

частота вращения вала, об/мин 600

статический КПД:

максимальный 0,84

средневзвешенный в нормальной области работы 0,74

подача в рабочей зоне при статическом КПД более 0,6 м³/с 35305

статическое давление в рабочей зоне при статическом КПД более 0,6кгс/м² 50510

динамический момент инерции вращающихся частей, Н*м² 350000

4. Выбор двигателя для вентиляторной установки.

Рассчитываем мощность двигателя:

/>

где Q = 200 м³/с – максимальная производительность; Р = 400 кгс/м² – статическое давление; Кз = 1,1 – коэффициент запаса; в = 0,74 – КПД вентилятора; пер = 1 – КПД передачи (без редуктора);
По расчетной мощности Рдврасч выбираем асинхронный двигатель с фазным ротором типа АКН2-18-53-16МУХЛ4.
Паспортные данные двигателя АКН2-18-53-16МУХЛ4:
Мощность N, кВт 1250

Напряжение статора U, В 6000

Ток статора Iст, А 163

Скорость вращения n, об/мин 580

Напряжение ротора Uр, В 835

Ток ротора Iр, А 650

Скольжение S, % 1,15

КПД (при нагрузке 1/1), % 94,7

Соs  (при нагрузке 1/1) 0,78

Ммах/Мном 2,4

Вращающий момент, кН·м² 31,9

5. Расчет и выбор остального электрооборудования.

Выбор оборудования роторной цепи.

Выбор выпрямителя, инвертора и трансформатора инвертора по мощности напрямую зависит от требуемой глубины регулирования скорости вращения двигателя, т.е. от максимального скольжения.

S=1, т. к. пуск привода происходит в схеме каскада с регулированием до нуля.
Выбор трансформатора инвертора.

Трансформатор инвертора выбирается по току и напряжению вторичных обмоток.

Напряжение вторичной обмотки трансформатора инвертора:

/>

где: К1 = 1,35 – коэффициент мостовой схемы Ларионова;

Uр = 835 — напряжение на роторе двигателя, В;

Sмах = 1 — максимальное скольжение;

К2 – коэффициент, зависящий от схемы соединения вентилей инвертора (для трехфазной мостовой схемы К2 = 2,34);

 — угол опережения открывания вентилей инвертора (угол управления);

Примечание: во избежание прорыва инвертора min принимают не менее 15.

Выпрямленный ток ротора двигателя:

/>

Ток вторичной обмотки трансформатора инвертора:

/>

где К2и – коэффициент зависящий от схемы соединения вентилей (для трехфазной мостовой схемы К2i =0,815)

Мощность трансформатора насчитывается по формуле

/>

Габаритная мощность трансформатора должна превышать мощность найденную по выше приведенным формулам, вследствие того, что необходимо компенсировать потоки вынужденного намагничивания сердечников трансформатора. Это превышение для трехфазной мостовой схемы составляет 4,5%

С учетом приведенного замечания получаем, что мощность трансформатора должна быть не менее 952 кВА.

Выбираем трансформатор типа ТМБ-1000/10-82У1

Паспортные данные:

S, кВА

U1, кВ

U2, В

1000

6

1575

Выбор тиритсторного преобразователя.

Выбор преобразователя осуществляется по выпрямленному току и максимальному напряжению ротора

Id=748 А,

/>

Выбираем преобразователь КУ АВК из каталога 08,10,32,-94
Техническая характеристика: Мощность, кВт 1000
Напряжение силового выпрямителя (от обмоток ротора), В 1130

Напряжение питания силового инвертора, В 1575

Максимальное рабочее выпрямленное напряжение:

Выпрямителя, В 1520

Инвертора, В 1520

Номинальный выпрямленный ток, А 750

Частоты, Гц 50
Выбор дросселя.
Ток через дроссель: Iдр=Id=748 А

Индуктивное сопротивление реактора />

Индуктивность дросселя />

Выбираем и дросселя СРОС3-800М УХЛ4, которые входят в комплект поставки КУ АВК 1000.
Выбор шунта.
Шунт выбираем из условия: Iш>Id

Выбираем шунт типа 75ШСМ-1000. Iшн=1000 А. Uшн =75 мВ. Rш=75*10-5 Ом

Выбор тахогенератора.
Тахогенератор выбирается из условия nтг>nдв Выбираем тахогенератор П.Ч 1 Uя =230 В. Uв=220/110 В. Iв=1 А. nтг =750 об/мин.
Выбор выключателя. Выбираем выключатель типа ВАТ 42 – 2000/660-А-У4
Выбор высоковольтного оборудования.
Распределительные устройства выбираем по Uн.дв и Iн.дв. Выбираем комплектные распределительные устройства КРУ – 10 –20.

Технические данные:

Iн=630 А. Uн= 6-10 кВ.

Электро динамическая устойчивость – 52 кА

Термическая устойчивость –20 кА

Выключатель – ВМПЭ – 10; Iн=630 А. Iоткл=20 кА

время откл-0,07-0,095

время вкл АРВ-0,5с.

тип привода –ПЭВ-11А

Серия включает в себя следующие исполнения шкафов: ввода, отходящих линий, секционного выключателя, трансформатора напряжения и трансформатора собственных нужд.

6. Разработка и построение математической модели электропривода.
Систему управления эл.приводом строим по принципу подчиненного регулирования на элементах УБСР-АИ, система статическая, так как регулятор скорости пропорциональный, и такая система получается однократно-интегрирующей по управляющему воздействию, т.е. ошибка по скорости будет проявляться при наличии сигнала возмущения. САР привода по схеме вентильного каскада содержит два контура:

контур выпрямленного тока ротора двигателя.

контур скорости двигателя.

Наша задача – составить структурную схему электропривода и определить передаточные функции регуляторов.

Опишем объект регулирования:

/>

Rэ=0,008 Ом – эквивалентное сопротивление цепи ротора;

Тэ= 0,01 сек – компенсируемая постоянная времени;

Км – коэффициент отношения момента двигателя к выпрямленному току

/>

J – момент инерции приведенный

J= Jдв+ Jвент =31,9+350 =381,9 кНм2

В роторную цепь включается инвертор.

/>

где />=0,02 сек- не компенсируемая постоянная времени;

Ки – передаточный коэффициент инвертора.

Ки =Ер/10=1520/10=152

Здесь 10В – напряжение управления, подаваемое в СИФУ инвертора.

Опишем контур тока:

/>/>

где ат — степень демпфирования по току;

 — сумма некомпенсированных малых постоянных времени.

/>

Ко.т. – коэффициент обратной связи по току.

Ко.т.= 2/Id= 0,003

/>-ПИ регулятор

/>Т =  =0,02

Опишем контур скорости. Передаточная функция регулятора скорости запишемся (П-регулятор):

/>

/>передаточный коэффициент обратной связи по скорости.

ас – коэффициенты демпфирования контура скорости.

Конечная структурная схема электропривода по схеме АВК приведена в графической части.

Согласно структурной схемы:

/>

/>

/>/>

/>/>

Из передаточной функции разомкнутой системы по управляющему воздействию в соответствии со структурной схемой получим зависимость для расчета регулировочной характеристики привода в разомкнутой системе:

/>

Из передаточной функции по возмущаемому воздействию определим механические характеристики привода в разомкнутой системе:

/>

В замкнутой системе механические характеристики привода жесткие и не зависят от нагрузки. Регулировочная характеристика:

/>

Для компенсации Едв в начальный момент пуска подается напряжение смещения Uсм:

/>
Расчет элементов системы управления

Расчет параметров регуляторов тока:

Его передаточная функция имеет вид:

/>

Пропорциональная часть: />

Интегральная часть: />

Rзт=Rос.т=15 кОм Отношение Rзт и Rос.т будет равно коэффициенту усиления пропорциональной части регулятора.

/>

/>; />из условия технического оптимума.

/>

Емкость конденсатора Сот определяется через постоянную времени ИЧ регулятора:

/>;

/>

Для исключения влияния пульсирующего характера тока и напряжения снимаемых с шунта, на вход датчика тока нужно установить фильтр. Принимаем Rф=10 Ом; Тф=0,006 с. Сф=Тф/Rф=600 мкФ.

Расчет регулятора скорости.

Представим регулятор скорости в виде:

/>

Передаточная функция регулятора скорости:

/>/>

Где J — момент инерции приведенный: J =381,9 кНм2; кос= 0.017241; км=27.553 Нм/А; ат=2; ас — демпфирование по скорости ас = 4;

Принимаем Rзс =Rос.с =15 кОм. получим:

/>

Так как коэффициент усиления датчика скорости =1, то обеспечить данный коэффициент обратной связи можно за счет делителя напряжения:

/>;

/>

/>

Т.к. тахогенератор прецензионный, обладающий малыми пульсациями напряжения, фильтр на входе датчика скорости не ставим.

Согласно структурной схемы можно записать уравнения, описывающие работу каждого звена:

1) />

2) />

3) />

4) />

5) />

6) />

7) />

В целом описание всей системы управления примет следующий вид:

/>

Приведем полученную систему к виду, требуемым для численного решения методом Рунге-Кутты на ЭВМ:

/>

где:

/>

/>

7. Моделирование системы АВК на ЭВМ.

В курсовом проектировании построение было произведено путем моделирования системы АВК вентилятора главного проветривания на ЭВМ. Для отладки системы, работы системы управления электропривода были проведены следующие исследования:

Ступенчатое воздействие управляющего сигнала.

Возмущающие воздействие момента статического в номинальном режиме работы.

8. Заключение.

Нами была разработана система электропривода вентилятора главного проветривания шахты по схеме АВК. Был проведен выбор оборудования, смоделирована система управления электроприводом и рассчитаны на ЭВМ динамические процессы.

Проведенные исследования динамических процессов позволяют сказать, что разработанная система управления удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ней. Ошибка по управляющему воздействию нулевая, ошибка по возмущающему воздействию 3%. Наиболее хорошие характеристики были получены при коэффициентах демпфирования />

Зависимость Id=f(t) и n=f(t) построены в графической части, также приведены принципиальная и структурная схемы электропривода АВК.

9. Список литературы.

1. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе.- М.,«Энергия», 1977.-432 с., илл.

2. Комплектные тиристорные электроприводы: К63.Справочник/ И.Х. Евзеров, А.С. Горобец, Б.И. Мошкович и др.; Под ред.канд.техн.наук В.М. Перельмутера.-М., Энергоатомиздат, 1988.-319 с., илл.

3. Малиновский А.К. Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников. Москва “ Недра” 1987.-277с.

4. Онищенко Г.Б. Асинхронный вентельный каскад.- М., Энергия, 1967.-152 с., илл.

5. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода.- М., Энергоиздат, 1981.-576 с., илл.

6. Хватов С.В., Титов В.Г. Проектирование и расчет асинхронного вентильного каскада.-Горький,1977.-91 с.