Система автоматического управления электроприводом центробежного вентилятора

kulik.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П.О.СУХОГО
Факультет автоматизированных и информационных систем
Кафедра «Автоматизированный электропривод»
РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
по дисциплине «Системы управления электроприводами»
на тему: «Система автоматического управления электроприводом центробежного вентилятора».
Исполнитель: студент гр. ЭП-42
Руководитель: доцент к.т.н.
Подписи членов комиссии
Технические характеристики ЭП. Требования к САУ ЭП 5
Выбор системы ЭП и типоразмер двигателя ..10
Выбор силового оборудования и расчет параметров ЭП ..15
Разработка структуры САУ 17
Синтез САР и выбор элементов контуров 18
Анализ статических показателей 20
Анализ динамики ЭП 22
Синтез и расчет узлов ограничений и защит .27
Синтез схемы включения ЭП и выбор аппаратов .28
Современные автоматизированные системы на основе электродвигателей используются в огромном количестве различных отраслей промышленности – металлургии машиностроении химической угольной деревообрабатывающей промышленности и др. Развитие электроприводов направлено на создание высокопроизводительных машин с высокой степенью автоматизации.
Главное преимущество электрического привода перед всеми прочими это возможность действия на большом расстоянии от источника энергии и от устройства управления его действие легко регулировать современные электропривода имеют хорошую надежность стабтльную работу и ряд других приемуществ.
Современные автоматизированные системы управления различными механизмами предназначены для оптимизации работы и играют большую роль в повышении производительности и экономии электроэнергии.
В данном курсовом проекте разрабатывается САУ электропривода центробежного вентилятора.
Главные задачи которые необходимо решить в процессе проектирования являются:
выбор системы регулируемого электропривода
выбор типоразмера двигателя
выбор силового оборудования и элементной базы
выбор структуры системы автоматического управления (САУ) и её синтез
Технические характеристики механизма. Требования к САУ ЭП
Центробежный вентилятор (рис.1.1) состоит из рабочего колеса 1 с лопатками 2 закрепленного на валу 3 электродвигателя (на рисунке электродвигатель не показан) входного или всасывающего патрубка 4 нагнетательного патрубка 5 и кожуха вентилятора 6.
Рисунок 1 – Схема центробежного вентилятора
Принцип действия центробежного вентилятора заключается в следующем. При вращении рабочего колеса 1 воздух увлекается лопатками 2 во вращательное движение при этом на частицы воздуха действуют центробежные силы которые направлены от центра к стенкам кожуха 6. Таким образом воздух совершает сложное движение: с одной стороны движется вдоль лопатки а с другой – вращается вместе с рабочим колесом вокруг его оси. Так как воздух движутся от центра к стенке кожуха то в центре вращения и во всасывающем патрубке 4 создается разрежение то есть давление воздуха меньше атмосферного давления. Под действием разности давлений во всасывающий патрубок поступают новый воздух из окружающей атмосферы. Таким образом удаляется загрязненный воздух от любого источника в машиностроительных металлургических и других цехах.
Данный вид вентилятора имеет вращающийсяротор состоящий из лопатокспиральнойформы. Воздух через входное отверстие засасывается вовнутрь ротора где он приобретает вращательное движение и за счет центробежной силы и специальной формы лопаток направляется в выходное
отверстие специального спиральногокожуха(так называемой «улитки» от внешнего сходства). Таким образом выходной поток воздуха находится подпрямым угломк входному. Данный вид вентилятора широко применяется в
В зависимости от типа назначения и размеров вентилятора количество лопаток рабочего колеса бывает различным а сами лопатки изготавливают загнутыми вперёд или назад (относительно направления вращения). Применение радиальных вентиляторов с лопатками загнутыми назад даёт экономию электроэнергии примерно 20%. Также они легко переносят перегрузки по расходу воздуха. Преимуществами радиальных вентиляторов с лопатками рабочего колеса загнутыми вперёд являются меньший диаметр колеса а соответственно и меньшие размеры самого вентилятора и более низкая частота вращения что создаёт меньший шум.
Центробежные (радиальные) вентиляторы подразделяются на вентиляторы высокого среднего и низкого давления.
Центробежные вентиляторы из алюминиевых сплавов (укомплектованные взрывозащитными электродвигателями по уровню защиты от искрообразования) относятся к вентиляторам с повышенной защитой то есть к вентиляторам в которых предусмотрены средства и меры затрудняющие возникновение опасных искр. Вентиляторы предназначены для перемещения газопаровоздушных взрывоопасных смесей с температурой не выше 80º С не вызывающих ускоренной коррозии проточной части вентиляторов не содержащих взрывчатых веществ взрывоопасной пыли липких и волокнистых материалов с запыленностью не более 10 мгм³. Температура окружающей среды должна быть в пределах от 40 до+45°C. Вентиляторы с повышенной защитой от искрообразования предназначены для перемещения газопаровоздушных смесей 1-й и 2-й категории групп Т1 Т2 Т3 по классификации ПУЭ.
В промышленности применяется широкий спектр центробежных вентиляторов имеющих различные взаимосвязанные характеристики по производительности создаваемому давлению числу оборотов ротора и коэффициенту полезного действия. Перед инженером часто встает задача выбора вентилятора обеспечивающего необходимый расход воздуха при известном сопротивлении трассы. Такой выбор производят по специальным номограммам называемым характеристиками вентилятора.
Работа центробежных вентиляторов основана на превращении центробежных (массовых) сил в поверхностные (статическое давление).
Величину полного давления создаваемого центробежным вентилятором можно рассчитать по уравнению выведенному Л. Эйлером:
где ρ – плотность среды кгм3; - коэффициент зависящий от формы количества и угла наклона лопаток с2м. U – окружная скорость лопаток мс.
Из этого выражения следует что развиваемое вентилятором давление зависит от плотности среды окружной скорости лопаток вентилятора их числа и формы т.е. от конструкции рабочего колеса. Работу вентилятора характеризуют такие аэродинамические параметры как производительность V м3с создаваемое им полное давление Р Па потребляемая мощность P кВт коэффициент полезного действия .
Характеристика вентилятора графически выражает связь между основными параметрами характеризующими его работу. В соответствии с ГОСТ 10616-73 совокупность зависимостей полного и статического давлений потребляемой мощности и КПД вентилятора от производительности при определённой частоте вращения и постоянной плотности воздуха называют индивидуальной аэродинамической характеристикой вентилятора.
Различают два вида характеристик вентилятора – полную и универсальную. Полная характеристика вентилятора определенных геометрических размеров при неизменной частоте вращения выражает зависимость создаваемого давления потребляемой мощности и КПД от расхода перемещаемой среды. Все вышеуказанные характеристики строят обычно на одном графике откладывая по оси абсцисс расход а по оси ординат давление потребляемую мощность и КПД.
Рисунок 2 - Полная характеристика центробежного вентилятора Ц14-46 №63 при n=600 обмин
Наиболее важной при подборе вентилятора является зависимость между давлением и производительностьюР=f(V)– так называемая характеристика давления или напорная характеристика. В этой характеристике вентилятора (кривая 1 рисунок 3) выделяют 2 особые точки: а – холостого хода; б – холостого расхода.
- характеристика вентилятора;
- характеристика сети;
- точка устойчивой совместной работы вентилятора и сети
Рисунок 3 - Наложение характеристик вентилятора и сети:
В точке а; где V=0 и Р=Рma где V=Vmaxи Р=0 вся энергия расходуется на перемещение воздуха и компенсацию потерь возникающих при его прохождении через вентилятор т.е. вентилятор работает без подключения к системе воздухопроводов называемых сетью. Каждая сеть имеет свою характеристику – зависимость суммарных потерь давления от расхода подаваемого в эту сеть воздуха т.е. Рпот=f(V) (кривая 2 рисунок 3). Уравнение описывающее характеристику сети близко к уравнению параболы
где С - коэффициент зависящий от сопротивления сети. Точку пересечения характеристик сети и работающего с ней вентилятора (точка 3 на рисунке 3) называют точкой устойчивой работы вентилятора.
Рисунок 4 - Пример универсальной характеристики вентилятора
Пользоваться такими характеристиками очень удобно. В соответствии с заданными значениями Рпол.и V на графике отмечается точка положение которой определяет значение частоты вращения колеса n и КПД вентилятора. Из графика определяется мощность двигателя вентилятора (N).
В разрабатываемом курсовом проекте основными из требований предъявляемых к будущей системе автоматического управления электропривода являются:
для ограничения нагрузки на сеть пуск должен производится с регулированием тока при допустимой погрешности не более +20% ;
при колебании напряжения сети изменения производительности вентилятора не должно превышать ±3%;
обеспечение минимального времени переходного процесса;
обеспечение плавности пуска и регулирования (введение ЗИ);
обеспечение максимальной защиты для отключения электропривода от сети при возникновении в защищаемой цепи недопустимых токов к.з (установка предохранителей или реле максимального тока на каждую фазу);
нулевая защита для отключения электропривода при прекращении или перерыве подачи питания от источника электроэнергии;
нулевая блокировка исключающая самозапуск электродвигателя при восстановлении питания на подводящей линии если орган управления находится в рабочем положении.
Выбор системы ЭП и типоразмера электродвигателя
Проанализировав требования предъявляемые к механизму подберём систему электропривода которая позволит наиболее качественно и надежно обеспечить эти требования.
Рассмотрим несколько вариантов:
) Система электропривода переменного тока: короткозамкнутый асинхронный двигатель управляемый преобразователем частоты автономным инвертором инверторами тока или напряжения (ПЧАИН – АД или ПЧАИТ - АД).
Такая система позволяет получить достаточный диапазон регулирования скорости с достаточной точностью и применяется для электроприводов различной мощности. Она обладает высоким КПД. Также асинхронные электродвигатели отличаются относительной простотой конструкции и надежностью в эксплуатации однако имеют ограниченный диапазон частоты вращения и низкий коэффициент мощности при малых нагрузках.
Использование автономного инвертора позволит контролировать работу электрического двигателя посредством регулирования числа оборотов (частотного регулирования) электропривода.
Частотное регулирование электроприводов позволяет повысить надёжность работы оборудования и систем улучшить качество производимой продукции или услуг автоматизировать производство экономить ресурсы и энергию.
) АД с фазным ротором – ступенчатое регулирование добавочным сопротивлением в цепи ротора.
Один из распространенных способов регулирования скорости тока и момента АД с фазным ротором связан с введением и изменением дополнительных резисторов в цепи его ротора. Основным достоинством этого способа является простота реализации что определило его широкое применение в ряде электроприводов.
Недостатки: Диапазон регулирования скорости небольшой — около 2 — 3 что определяется снижением жесткости характеристик и ростом потерь по мере увеличения диапазона регулирования скорости. Плавность регулирования при реостатном регулировании небольшая и определяется плавностью изменения дополнительного резистора R2д. Скорость АД изменяется только вниз от основной. Экономичность способа определяется стоимостью используемых средств регулирования и расходами при эксплуатации электропривода.
Затраты связанные с созданием данной системы электропривода невелики
так как для регулирования обычно используются простые и дешевые ящики металлических резисторов. В то же время при эксплуатации этой системы затраты
велики поскольку значительны потери энергии.
Такая система позволяет получить глубокий диапазон регулирования скорости с достаточной точностью и применяется для электроприводов различной мощности. Она обладает высоким КПД и позволяет получить плавное протекание переходных процессов. Недостатком данной системы является то что она дороже некоторых систем и имеет отрицательное влияние на сеть.
Сделаем технико-экономическое сравнение представленных систем:
Таблица 1 Технико-экономическое сравнение представленных систем
Q1 - плавность регулирования
Q2 – Диапазон регулирования
Выбираем систему электропривода переменного тока: короткозамкнутый асинхронный двигатель управляемый преобразователем частоты автономным инвертором инверторами тока или напряжения (ПЧАИН – АД или ПЧАИТ - АД).
Двигатель должен обеспечивать частоту вращения 2960 обмин и мощность двигателя 132 кВт.
Исходя из требований к электродвигателю выбираем асинхронный двигатель серии 4А280M2У3 запишем основные параметры его в таблицу 1.
Таблица 1 – Справочные технические данные АД 4А280M2У3
Рассчитаем некоторые параметры электродвигателя по формулам приведенным в [3 с. 38-41].
Номинальное фазное напряжение
Номинальный ток двигателя
Угловая частота сети
Переведем параметры схемы замещения от относительных единиц к абсолютным
Активные сопротивления схемы замещения соответствуют сопротивлениям обмотки фазы.
Индуктивности рассеяния статора и ротора:
Взаимоиндуктивность между обмотками статора и ротора:
Индуктивности статора и ротора:
Индуктивность рассеяния двигателя:
Коэффициент электромагнитной связи статора:
Номинальные параметры двигателя определяются следующим образом:
Синхронная скорость при номинальной частоте напряжения:
Номинальная угловая скорость вращения:
Номинальное потокосцепление статора:
Номинальное потокосцепление ротора:
Коэффициент согласования при пересчете от трехфазной к двухфазной модели :
Выбор силового оборудования и расчет параметров ЭП
Для определения начальных значений переменных в рабочей точке решим систему уравнений состоящую из выражения электромагнитного момента двигателя и закона частотного управления. Для механизмов с вентиляторной нагрузкой закон управления .
Теперь определим параметры модели двигателя для частотного управления:
Электромагнитная постоянная времени ротора двигателя:
Номинальное потокосцепление ротора по оси х:
Относительное напряжение:
Начальное значение скорости поля статора в рабочей точке :
Относительная частота:
Фиктивный момент короткого замыкания при номинальных частоте и напряжении:
Суммарный момент инерции:
Электромеханическая постоянная времени:
Абсолютное скольжение:
Для системы ПЧ-АД выбираем:
Siemens Micromaster 430 без фильтра класса А: 6SE6430-2UD41-6GA0
Номинальный выходной ток
Выбираем LC-фильтр: 6SL3000-2CE32-8AA00
Выбираем коммутационный дроссель: 6SL3000-0CE33-3AA0
Выбираем выходной дроссель: 6SL3000-2BE33-2AA0
Выбираем предохранитель: 3NE1332-0
Выбираем автомат: 3VL4731-.DC36
Разработка структуры САУ
На рисунке 5 представлена структурная схема модели системы частотного управления
Выбрав номинальные значения сигналов управления и задания
определим коэффициенты передачи инвертора и обратной связи по скорости:
Рисунок 5 Структурная схема линеаризованной упрощенной модели системы частотного управления.
Синтез САР и выбор элементов контуров
При синтезе системы частотного управления следует выбирать быстродействие контура меньше длительности электромагнитных переходных процессов в двигателе. Только в этом случае обеспечивается допущение о постоянстве потокосцепления на основании которого получена упрощенная модель двигателя для частотного управления. Следствием этого допущения является то что двигатель постоянно работает на устойчивой части механической характеристики. Попытка реализовать высокое быстродействие приводит к неустойчивым колебаниям системы и опрокидыванию двигателя. Кроме того в электроприводах с частотным управлением обязательно используется задатчик интенсивности. С учетом сказанного влиянием канала управления напряжением на процессы в контуре скорости пренебрегают. Тогда структурная схема контура скорости примет вид показанный на рисунке 6.
Рисунок 6 Структурная схема контура регулирования скорости
Передаточная функция объекта управления контура имеет вид:
От соотношения и объект управления представляется одним апериодическим звеном второго порядка или двумя апериодическими звеньями первого порядка параметры которых или . При настройке на технический оптимум с выбором малой постоянной времени контура = (или при = при ) быстродействие контура оказывается слишком высоким по отношению к электромагнитным процессам в двигателе.
Поэтому необходимо снизить частоту среза контура . При переходные процессы в системе оказываются достаточно удовлетворительными при широком диапазоне соотношения и . Тогда при выборе ПИ-регулятора.
Малая постоянная времени контура:
Необходимая частота среза контура скорости:
Передаточная функция регулятора скорости :
Его параметры должны быть выбраны следующим образом:
Постоянная времени регулятора контура скорости:
Коэффициент передачи регулятора контура скорости:
Анализ статических показателей
Для получения значения статической ошибки контура по моменту сопротивления запишем передаточную функцию замкнутого контура скорости по возмущению:
Тогда величина ошибки составит:
После синтеза регуляторов производим расчет САУ в установившемся режиме то есть статический расчет. Статический расчет производят с целью получения статической характеристики электропривода определение статической ошибки и других статических показателей.
Рисунок 7 Статическая характеристика по возмущению
Анализ динамики электропривода
Переходные процессы в системе частотного управления рассчитывают по следующей системе уравнений [3 с. 48]:
Рисунок 8 Диаграмма сигнала задания
Рисунок 9 Переходная характеристика скорости и момента
Рисунок 10 Переходная характеристика скорости и момента при пуске
Рисунок 11 Переходная характеристика скорости и момента по управлению
Рисунок 12 Переходная характеристика скорости и момента по возмущению
Рисунок 13 Переходная характеристика тока двигателя
Рисунок 14 Переходная характеристика тока двигателя при пуске
Как видно из характеристики пусковой ток достигает . По заданию допустимая кратность пускового тока . Номинальный ток двигателя . Для выполнения условия должно соблюдаться неравенство:
Условие выполняется.
Синтез и расчёт узлов ограничений и защит
Задаем параметру PO305(3) (номинальный ток двигателя) значение 27398 А.
Задаем параметру PO307(3) (номинальная мощность двигателя) значение 132 кВт.
Задаем параметру rO345(3) (время разгона двигателя) значение 70 с.
Задаем параметру P1080[3] (минимальная частота) значение 10 Гц.
Задаем параметру P1082[3] (максимальная частота) значение 55 Гц.
Так же присваиваем параметру PO731 константу 52.3 чтобы при аварии срабатывал релейный выход RELAY 2.
Синтез схемы включения электропривода и выбор аппаратов
Рисунок 15 Релейно-контакторная схема включения
Выбираем контактор КM1 реле промежуточное РП21-003 (~220 В).
Выбираем контактор КM2 реле промежуточное РП21-003 (24 В).
Кнопочный пост выбираем серии ПКЕ 222-3У3.
Контактор КM1 предназначен для разрешения включения электропривода.
Контактор КM2 предназначен для отключения электропривода при аварии.
Кнопка SB2 предназначена для включения электропривода.
Кнопка SB1 предназначена для отключения электропривода.
Кнопка SB3 предназначена для сброса аварии.
В результате выполнения данного курсового проекта была разработана система автоматического управления электроприводом центробежного вентилятора. Исходя из технического задания был выбран асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором серии 4A280M2У3.
Использование автономного инвертора позволило нам контролировать работу электрического двигателя посредством регулирования числа оборотов (частотного регулирования) электропривода.
Для этой системы ПЧ-АД был выбран АЭП Siemens Micromaster 430 без фильтра класса А: 6SE6430-2UD41-6GA0 с полной мощностью Sн=160 кВт.
Кравчик А.Э. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник А.Э.Кравчик М.М. Шлаф В.И. Афонин и др.- М.Энергоиздат1982 г.
Соколов М.М. Автоматизированный электропривод общепромышленных механизмов. М.М. Соколов- М. Энергия1976 г.
Захаренко В.С. Системы управления электроприводами. Пособие по дисциплине «Системы управления электроприводами» для студентов специальности 1-53 01 05 «Автоматизированные электроприводы» днев. и заоч. форм обучения. авт.-сост. В.С. Захаренко И.В. Дорощенко. – Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого 2014. – 59 с
Акинов Н.Н. Ващуков Е.П.: Резисторы конденсаторы трансфораторы дроссели коммутационные устройства РЭА. Справочник – Мн.: Беларусь 1994.