• RU
  • icon На проверке: 3
Меню

Электропривод механизма подъема экскаватора ЭКГ3,2

  • Добавлен: 25.01.2023
  • Размер: 2 MB
  • Закачек: 1
Узнать, как скачать этот материал

Описание

Электропривод механизма подъема экскаватора ЭКГ3,2

Состав проекта

icon
icon
icon принципиальная ЭКГ 18.dwg
icon Схема структурная.bak
icon pss51.xls
icon ЭКГ 3.2 22.doc
icon принципиальная ЭКГ 18.bak
icon Схема структурная.dwg
icon model2000.mdl

Дополнительная информация

Контент чертежей

icon принципиальная ЭКГ 18.dwg

принципиальная ЭКГ 18.dwg
Электропривод подъема экскаватора ЭКГ 3
Принципиальная схема силовых электрических цепей
Модернизация главного

icon ЭКГ 3.2 22.doc

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
По дисциплине: “Автоматизированный электропривод машин и установок”
Тема: ”ЭЛЕКТРОПРИВОД МЕХАНИЗМА ПОДЪЕМА ЭКСКАВАТОРА ЭКГ 32”
Условия работы и требования предъявляемые к проектируемому электроприводу4
Обзор и анализ систем проектируемого электропривода 9
Расчет мощности и выбор двигателя управляемого преобразователя11
1. Предварительный выбор двигателя11
2 Проверка двигателя на нагрев15
Расчет и выбор элементов тиристорного преобразователя20
1Выбор трансформатора20
3 Выбор сглаживающего дросселя23
Разработка САУ электропривода и расчет её элементов25
1Моделирование и расчет параметров объектов управления28
2Синтез системы автоматического регулирования 35
Описание принципиальной схемы электропривода46
Анализ динамических свойств электропривода78
Одноковшовые экскаваторы являются одними из основных машин используемых на открытых горных работах. Эффективность эксплуатации одноковшовых экскаваторов во многом определяет основные технико-экономические показатели предприятия.
Основным критерием эффективности эксплуатации одноковшового экскаватора является повышение производительности. Производительность экскаватора зависит от качества управления рабочим циклом состоящим из операций копания переноса груженого ковша в точку разгрузки разгрузки и переноса порожнего ковша в забой к точке начала копания. Эти операции осуществляются при помощи электроприводов подъема напора ковша и поворота платформы для экскаваторов ЭКГ. Указанные электроприводы принято называть главными.
Исходя из этого важное значение приобретает задача автоматизации процесса работы экскаватора. Основу любой системы автоматического управления режимом работы экскаватора составляют локальные системы автоматического управления отдельными технологическими операциями.
Электрический привод рабочего органа экскаватора представляет собой электромеханическое устройство приводящее в движение рабочий орган (ковш) и управляющее его перемещением. В системе электропривода рабочего органа одноковшового экскаватора выделяют:
- систему автоматического управления частотой вращения электродвигателя включающую задающее устройство регуляторы и датчики выходных координат;
- преобразователи напряжения для питания электродвигателей – генератор или тиристорный преобразователи;
- приводные электродвигатели с устройствами возбуждения;
- механическое оборудование включающее устройство передачи движущего момента рабочему органу и рабочий орган – ковш.
УСЛОВИЯ РАБОТЫ И ТРЕБОВАНИЯ ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПРОЕКТИРУЕМОМУ ЭЛЕКТРОПРИВОДУ
При открытом способе добычи полезных ископаемых основными выемочно-погрузочными машинами уже давно стали одноковшовые экскаваторы. Главными показателями технического уровня экскаваторов являются их производительность надежность удельный расход электроэнергии и металлоемкость.
Рис 1.1 – Внешний вид экскаватора одноковшового экскаватора
Экскаватор ЭКГ- 3.2 – карьерная лопата на гусеничном ходу предназначенная для разработки и погрузки полезных ископаемых в транспортные средства расположенные на рабочем горизонте а также для складирования в отвал пород различной крепости. Экскаватор применяется на открытых горных работах и земляных работах предназначен для разработки и погрузки в транспортные средства полезных ископаемых и пород вскрыши на открытых горнорудных карьерах а также для отвалообразования и погрузочных работ на складах.
Экскаватор имеет хорошую маневренность прост в управлении и обслуживании все его механизмы снабжены индивидуальным электроприводом муфты переключения отсутствуют
Экскаватор 32 состоит из рабочего оборудования выполняющего функции экскавации грунта и выгрузки его в транспортные средстьва или отвал поворотной платформы на которой смонтировано рабочее оборудование и механизмы экскаватора ходовой тележки.
Рабочее оборудование включает в себя стрелу рукоять ковш и механизм открывания днища. Шарнирно сочлененная стрела состоит из нижней и верхней секций сварной конструкции трубчатого сечения. Стрела воспринимает нагрузки от ковша с рукоятью и передает их на поворотную тележку и подвеску стрелы состоящую их канатов и двух подкосов трубчатого сечения. Рукоять соединена со стрелой подвижно качающимся седловым подшипником Ковш подвешен на подъемной канате который огибает головной блок. Подвески шарнирно соединена с двуногой стрелой.
Ходовая тележка имеет индивидуальный привод гусениц;
Поднятая над кузовом кабина машиниста обеспечивает хорошую обзорность во время работы. Кабина просторна герметизирована снабжена системой отопления кондиционером вентиляцией и обогревом стекол виброизолированным креслом;
Обойма блоков ковша монтируется на задней стенке ковша при этом коромысло не устанавливается. Установка семи зубьев на режущей кромке вместо пяти уменьшает износ передней стенке между зубьями. Для уменьшения износа днище в наиболее изнашиваемой части футеруется противоизносным листом.
С целью улучшения работы узла за счет повышения его надежности в седловом подшипнике установлены вкладыши.
Переоборудование базовой модели осуществляется путем замены рабочего оборудования.
Экскаватор выполнен по традиционной для ижорских экскаваторов конструктивной схеме: с разгруженной от изгиба шарнирно-сочлененной стрелой и разгруженной от кручения однобалочной внутренней рукоятью.
Все механизмы экскаватора представляют собой законченные технологические узлы что позволяет вести ремонт экскаватора агрегатным методом. Поворотные редукторы экскаватора выполнены планетарными. Экскаватор имеет двухэтажную кабину с улучшенным обзором кондиционированием воздуха удобным креслом машиниста вентилятором солнцезащитным козырьком и стеклоочистителем.
В конструкцию экскаватора также заложены:
подвеска стрелы внедрение которой полностью исключает выход этого узла из строя;
двусторонний демпфер встроенный в рукоять и обеспечивающий снижение динамических нагрузок в рукояти и напорном механизме;
ковш экскаватора со специальной конструкцией режущей кромки и механизмом торможения днища;
съемный возвратный полублок;
подвеска ковша и др. [2]
Рисунок 1.2 – Основные размеры экскаватора 3.2
Технические характеристики экскаватора ЭКГ- 3.2
Емкость ковша для тяжелых пород м3
Наибольший радиус копания м
Высота копания при наибольшем радиусе копания м
Наибольшая высота выгрузки м
Масса рабочего оборудования (ковша с рукоятью) кг
Диаметр подъёмных канатов мм
Расчетная продолжительность цикла на угол 900 с
Наибольшее усилие на блоке ковша тс
Угол наклона стрелы град
Скорость вращения платформы обмин
Электрооборудование одноковшовых экскаваторов работает в весьма тяжелых условиях тряски ударов вибраций большой запыленности. Электроприводы основных механизмов экскаватора работают в интенсивном повторно-кратковременном режиме с большой частотой включений при изменяющейся в широких пределах нагрузке на валу двигателя. Наряду с этим основные механизмы экскаватора содержат упругие механические связи обусловленные ограниченной жесткостью канатов рабочего оборудования и валов передачи а также имеют значительные зазоры в передачах.
Основное требование – обеспечить максимальную оборудовании.
Необходимо обеспечить:
Высокую конструктивную надежность
- бесперебойность работы электропривода в тяжелых условиях эксплуатации;
- простота управления.
Надежное автоматическое ограничение момента развиваемого двигателем путем формирования статической экскаваторной электромеханической характеристики с требуемым коэффициентом отсечки величину которого можно изменять при наладке электропривода в требуемых пределах.
Требуемая жесткость рабочего участка электромеханической характеристики. Для обеспечения малой скорости опускания груженого ковша при его удержании в режиме динамического торможения без наложения механического тормоза – для этого нужен большой коэффициент жесткости .
Обеспечение требуемого диапазона регулирования скорости D≥4-6:1 и оперативное реверсирование минимальные потери электрической энергии при работе привода как на основной так и на промежуточной характеристиках.
Формирование оптимальных по быстродействию переходных процессов с ограничением момента (тока) M(Iя) допустимыми значениями обеспечивающих плавное регулирование скорости ограничение коэффициента динамичности Кд исходя из условий эксплуатации электрических машин а также 1нач при выборе зазоров в передачах и стопорение (нач).
Автоматическая защита электропривода от аварийных режимов работы.
Температурная стабилизация параметров статической электромеханической характеристики при изменении температурного режима работы электродвигателя.
Выше указанные условия должны выполняться надежными и удобными средствами [2].
ОБЗОР И АНАЛИЗ СИСТЕМ ПРОЕКТИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
На сегодняшний день электропривод по системе Г-Д остается наиболее отработанным и привычным для эксплуатации. В качестве возбудителей в такой системе применяются электромашинные (ЭМУ) или магнитные (МУ) усилители (на экскаваторах старых годов выпуска) а также тиристорные и в редких случаях транзисторные возбудители. Наряду с общепризнанными достоинствами системы Г-Д ее основными недостатками являются:
наличие преобразовательного агрегата с вращающимися генераторами обладающими значительной электромагнитной инерцией и подверженными износу подвижных частей что вызывает необходимость в систематических профилактических ремонтах;
значительные потери электроэнергии;
большие массогабаритные показатели;
повышенные динамические нагрузки на электродвигатели и связанные с ними механизмы из-за недостаточного быстродействия системы Г-Д;
Перечисленные недостатки относится также и к трехмашинному преобразовательному агрегату напряжения собственных нужд и возбуждения синхронного двигателя (при его наличии). Тиристорные преобразователи лишены вышеперечисленных недостатков.
Поэтому еще несколько десятилетий назад технический прогресс в силовой полупроводниковой технике определил общую тенденцию замены электромашинных преобразовательных агрегатов на статические. Применительно к главным приводам – это система ТП-Д (тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока) на постоянном токе и ПЧ-АД (преобразователь частоты – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором) на переменном токе.
Внедрение этих систем на экскаваторах обеспечит:
повышение производительности на 5-7%;
снижение динамических нагрузок на механизмы благодаря их быстродействию и как следствие увеличение срока службы оборудования;
экономию расхода электроэнергии на 20-25%;
уменьшение эксплуатационных расходов на 10-15%;
улучшение условий эксплуатации экскаватора в целом.
В России еще в конце 70-х годов "Уралмашзавод" применил систему ТП-Д для карьерных экскаваторов ЭКГ-20 (ЭКГ-20А) эксплуатирующихся в наиболее суровых климатических условиях Нерюнгринского угольного разреза.
На сегодняшний день основными препятствиями для широкого применения на экскаваторах в качестве приводов главных механизмов электроприводов переменного тока являются:
Отечественная промышленность не производит серийно двигатели переменного тока экскаваторного исполнения с встроенными датчиками скольжения для регулируемого электропривода;
ПЧ на большие мощности и токи необходимые в проектируемом экскаваторе выпускаются в небольшом количестве и опыт их использования мал.
На сегодняшний день с точки зрения технико-экономических показателей оптимальными представляются применение электропривода по системе ТП-Д [4].
РАСЧЕТ МОЩНОСТИ И ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ УПРАВЛЯЕМОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
1. Предварительный выбор двигателя
Привод механизма подъема ковша преодолевают следующие усилия: при черпании породы от сопротивления породы копанию и от веса породы в ковше при повороте ковша и породы на разгрузку - от веса ковша с породой при повороте платформы и порожнего ковша на разгрузку – от веса порожнего ковша.
Скорость перемещения ковша при черпании породы имеет номинальное значение при повороте ковша на разгрузку скорость пониженная до 30% от номинала режим тормозной; при спуске порожнего ковша скорость привода подъема 130 % от номинальной.
Определим линейные размеры (ширина длина и высота) ковша механической лопаты [1 c.6]
Определим массу ковша [1c.7]
где =1.1-2.1 - коэффициент для определения массы ковша экскаватора [1прил.3].
Масса породы в ковше:
где плотность горной породы в ковше принимаем для породы IV категории 25 [1прил.6];
kр- коэффициент разрыхления породы 135 [1прил.6].
где – коэффициент для определения размеров рукоятей экскаваторов [1прил.4]
Определим массу груженого ковша
Определим вес ковша с породой
Определим вес рукоятки
Рисунок 3.1 Диаграмма работы привода подъема
Сопротивление породы копанию [1c. 9]:
где kпл – удельное сопротивление породы копанию зависящее от характера породы [1п.5];
Lз – высота забоя принимаемая равной высоте напорного вала экскаватора Lн
где mэкс – масса экскаватора т
Усилие в подъемном канате соответствующем вертикальному положению подъемного каната и горизонтальному положению рукояти [1c.10]:
где l1lklplп – длины плеч м определяемые по схеме рис. 4 исходя из длины стрелы и рукояти.
Мощность двигателя тягового механизма при копании [1c.22]:
Определим усилие в канате при повороте платформы экскаватора с породой в ковше на разгрузку [1c.10]:
Мощность двигателя механизма подъема при повороте платформы с породой в ковше [1c.11]:
Определим усилие в канате при повороте порожнего ковша в забой [1c.10]:
Мощность двигателя механизма подъема при повороте платформы в забой [1c.11]:
Для предварительных расчетов время цикла работы экскаватора разбиваем на три равных части 2333=776
Определим средневзвешенную мощность двигателя механизма подъема [1c.14]:
При двух двигателях мощность каждого из них:
Исходя из средневзвешенной мощности выбираем двигатель: ДПЭ-62[5]
Мощность номинальная 75 кВт
Номинальная скорость вращения: nН =900 обмин
Максимальная скорость вращения nмакс =1500 обмин
Номинальное напряжение: UН = 220 В
Номинальный ток якоря: Iя =380 А
Напряжение возбуждения: UВ=220 В
Ток возбуждения: IВ=12 А
Сопротивления обмоток при 20°С:
- якоря : Rя20° = 00130 Ом
-вспомогательных полюсов: Rвп200 = 0005 Ом
-компенсационной обмотки: Rко200 = 0006 Ом
- обмотки независимого возбуждения: Rв20° = 1833 Ом
Число витков обмотки возбуждения: Wв=245
Магнитный поток одного полюса: Ф=017 Вб
Момент инерции якоря двигателя: Jя =48 кг*м2
Продолжительность включения: ПВ=100%.
Двигатели серии ДПЭ предназначены для тяжелых условий эксплуатации в приводах механизмов с частыми реверсами и торможениями неравномерной нагрузкой и резкими её скачками в приводах механизмов подъема и напора экскаватора с емкостью ковша от 3 до 20 м3. Катушки добавочных полюсов соединены последователь и присоединяются к одной стороне обмотки якоря. Двигатели допускают управление тиристорным преобразователем напряжения с пульсациями тока 7%.
2 Проверка двигателя на нагрев
Проверку выбранного двигателя на нагрев выполняем методом эквивалентных моментов.
Для определения передаточного числа редуктора необходимо знать частоту вращения барабана подъемной лебедки [1c.37]:
Диаметр барабана подъемной лебедки для карьерных экскаваторов
=(25-32)dк=32 0028=098м
где dк- диаметр канатов 28 мм [2 табл.II-10]
Принимаем =1м передаточное число полиспаста =1
Рис. 3.2 Кинематическая схема механизма подъема
- тормоз 2- электродвигатель 3 –упругая муфта 5 – барабан 6 – канат.
Передаточное число редуктора тягового механизма [1c.36]:
Принимаем ближайший двухступенчатый редуктор с [1прил.8]:
Определяем моменты номинальные и в соответствии с рекомендациями стопорные и отсечки выбираемых двигателей [1c.47]:
Моменты инерции поднимающегося ковша с породой ковша и рукояти [1c.46] приведенные к валу двигателя:
где адв – количество двигателей
Момент инерции редуктора составляет 20% от момента инерции двигателя
Построим нагрузочные и скоростные диаграммы за цикл работы двигателя подъема.
Предполагаем что пуск двигателя происходит при опущенном на подошву забоя порожнем ковше.
Момент сопротивления в этом случае будет состоять из преодоления сил веса рукояти и ковша [1c.46]:
Динамический момент при разгоне двигателя в начале копания [1c.60]:
Время разгона двигателя в начале копания [1c.47]:
где угловая скорость тягового двигателя [1c.47]:
Средний момент двигателя при разгоне [1c.47]:
Момент сопротивления за время копания изменяется от минимального значения до величины момента Nп.п. Поэтому за расчетную величину момента принимаем среднее арифметическое значение [1c.48]:
Время копания грунта с установившейся скоростью [1c.61]:
где Lн – высота забоя равная высоте расположения напорного вала м по [1 с. 48]
Момент сопротивления при повороте груженого ковша на разгрузку [1c.48]:
Время удержания груженого ковша в заторможенном состоянии равно времени вращения поворотной платформы к месту разгрузки:
где Lп – наибольший радиус поворота на разгрузку м
Vпов – скорость поворота платформы мс
коэффициент учитывающий врем я разгона двигателя поворота.
Тормозной момент при маневрировании с груженым ковшом и снижении угловой скорости до 01ном равен Мдв п =М6= 179068 Нм
Время торможения ковша с породой до угловой скорости равной 0.1ном.
Средний момент двигателя развиваемый при торможении
М7=М6- М5=179068 – 509=12817 Нм
Средний момент при разгрузке ковша
М8=(М1+М5)05=(3869+509)05=448Нм(3.38)
Время разгрузки ковша принимаем равной t5=01tц=01 233=233с.
Динамический момент при реверсировании и разгоне двигателя на спуск порожнего ковша:
М9=Мдв.п+М1=179068+3869=21776Нм(3.39)
Время разгона двигателя до угловой скорости равной 11 ном.
Средний момент развиваемый при спуске порожнего ковша
М10=Мдвп - М1=179068 – 3869=14038Нм(3.41)
Момент сопротивления при опускании порожнего ковша с установившейся скоростью
Время опускания ковша с установившейся скоростью t7=233- (039+ 8+ 5+0.3+233+03+04)=658 с.
Момент при торможении порожнего ковша при опускании его в забой
Время торможения при спуске порожнего ковша
Эквивалентный момент двигателя [1c50]:
Составляем нагрузочную диаграмму электропривода подъема:
Рисунок 3.3 – Нагрузочная диаграмма привода подьема
Двигатель прошел проверку на нагрев.
.РАСЧЕТ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Якорные цепи и цепи возбуждения приводных двигателей получают питание от тиристорных преобразователей. Чтобы обеспечить выравнивание нагрузки на одном двигателе применяется последовательное соединение якорей и параллельное соединение обмоток возбуждения.
1 Выбор силового трансформатора
Типовая мощность трансформатора:
где КТ –коэффициент типовой мощности трансформатора КТ =1.045
КС = 11 коэффициент запаса по напряжению учитывающий возможное среднее снижение напряжения питающей сети на 10%;
КR = 108 коэффициент запаса для учета потери напряжения на тиристорах и обмотках силового трансформатора а также наличие угла коммутации [4]
В - напряжение нагрузки
Необходимое фазное напряжение вторичной обмотки согласующего трансформатора.
где - коэффициент характеризующий отношение напряжений в идеальном выпрямителе и зависящий от схемы выпрямления (для трёхфазной мостовой схемы равен 234)
Линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора
Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора
где - коэффициент характеризующий отношение токов I2Id в идеальном выпрямителе и зависящий от схемы выпрямления для (трёхфазной мостовой схемы равен 0817)
По полученным данным выбираем трансформатор [7] по условиям:
По полученным значениями [6]
Таблица 3 – технические характеристика трансформатора
Номинальная мощность
Напряжение сетевой обмотки
Определяем параметры силовой цепи с учетом технических данных трансформатора
Номинальные значения фазного напряжения вторичной обмотки:
Номинальный ток вторичной обмотки трансформатора
Номинальный ток первичной обмотки трансформатора
Активное сопротивление трансформатора приведенного к вторичной обмотке
где - коэффициент трансформации
Индуктивное сопротивление трансформатора
Максимальное значение выпрямленного напряжения :
Напряжение преобразователя при минимальном значении угла регулирования:
Активное сопротивление якорной цепи двигателя:
RЯ.ц=2 RЯ *132= 2*0024132= 0063 Ом (4.12)
где Кт=132 - коэффициент учитывающий сопротивление при перегреве
Напряжение преобразователя при номинальной нагрузке:
Напряжение преобразователя при падении напряжения сети на 5%:
трансформатор удовлетворяет требованиям
Среднее значение выпрямленного тока через вентиль при пуске электропривода:
где характеризует отношение
Максимальное обратное напряжение на вентиле:
Необходимо применение тиристоров с предельным током In>Iв.ср.=251 А и рекомендуемым рабочим напряжением Uр>Uобр=590 В. Принимаем к установке тиристоры таблеточного исполнения класса Iуд.=135 кА[6]
Тип рекомендуемого охладителя
3 Выбор сглаживающего дросселя
Необходимая индуктивность цепи выпрямленного тока из условия обеспечения непрерывного тока двигателя при минимальной нагрузке:
где - круговая частота сети
Требование непрерывности тока двигателя означает что амплитуда переменной составляющей тока якоря должна быть меньше минимальной величины среднего значения тока нагрузки
Необходимая индуктивность цепи выпрямленного тока из условия ограничения пульсации тока величиной 005
Необходимая индуктивность для ограничения тока через вентили при коротком замыкании:
- максимально допустимый ток для вентиля
Максимальной является индуктивность цепи выпрямленного тока из условия обеспечения непрерывного тока двигателя при минимальной нагрузке.
Индуктивность фазы трансформатора:
Индуктивность якоря двигателя:
где - номинальная угловая частота вращения.
Требуемая индуктивность сглаживающего дросселя.
Принимаем к установке реактор типа ФРОС-50005У3 с номинальным током 500 А и индуктивностью 325 мГн. Активное сопротивление сглаживающего дросселя при потерях в обмотке 75 мОм.[6]
При выборе дросселей должны выполняться условия:
Характеристики преобразовательной части.
Трансформатор ТСЗП-250073УЗ
Выпрямленный ток номинальный Id.ном = 400 А.
Выпрямленное напряжение номинальное Ud.ном = 440 В.
Напряжение управлении соответствующие ЭДС холостого хода
преобразователя Uу = 10 В.
Тактность схемы выпрямления для трехфазной мостовой схемы m= 6.
Коэффициент выпрямления схемы по напряжению Квн = 135.
Коэффициент выпрямления схемы по току Квт = 0815.
РАЗРАБОТКА САУ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И РАСЧЕТ ЕЁ ЭЛЕМЕНТОВ
В настоящее время в электроприводе при создании системы автоматического управления нашел применение принцип подчиненного регулирования с последовательной коррекцией.
Системы подчиненного регулирования выполняются по определенной многоконтурной структуре (см. рис. 5.1) [7].
Рис. 5.1 Структурная схема системы подчиненного регулирования
Сущность построения таких систем заключается в следующем:
объект управления представляется в виде цепочки последовательно соединенных звеньев с передаточными функциями W01(p) W02(p) W0i-1(p) W0i(p) выходными параметрами которых являются контролируемые координаты объекта: напряжение ток скорость и т.д.
Количество регуляторов с передаточными функциями Wр1(p) Wр2(p) Wрi(р) в СПР устанавливается равным количеству регулируемых величин. Все регуляторы соединяются последовательно так что выход одного является входом другого. Кроме того на вход каждого регулятора подается отрицательная обратная связь по той переменной которая регулируется данным регулятором. В результате этого в системе образуются как бы вложенные друг в друга контуры регулирования. Таким образом число контуров регулирования равно количеству регулируемых координат объекта.
Каждый внутренний контур управления подчинен следующему по порядку внешнему контуру т.е. выходной сигнал регулятора любого внешнего контура является задающим для последующего заключенного в него контура. В итоге все внутренние контуры работают как подчиненные задаче регулирования выходной координаты системы.
Ограничение любой координаты достигается ограничением ее задания т.е. выходного сигнала регулятора внешнего по отношению к рассматриваемому контуру.
На выходе регулирующей части системы управления устанавливается фильтр. Постоянная времени Т этого фильтра является основным параметром системы авторегулирования и определяет важнейшие свойства системы.
Синтез регуляторов СПР осуществляется методом последовательной коррекции (начиная с внутреннего контура и кончая внешним). Практически при выборе передаточной функции регулятора Wpi(p) i-го контура стремятся решить две основные задачи:
обеспечить за счет действия регулятора компенсацию наиболее существенных инерционностей объекта входящих в данных контур и тем самым улучшить быстродействие системы;
обеспечить определенный порядок астатизма данного контура за счет введения в регулятор интегрирующего звена.
Передаточная функция регулятора i-го контура будет иметь вид:
Настройка системы производится путем последовательной оптимизации контуров регулирования. Каждый контур оптимизируется по модульному или симметричному оптимумам в основе которых лежит обеспечение вполне определенных показателей по выполнению колебательности и точности системы автоматического управления т.е. получение технически оптимального переходного процесса.
Системы подчиненного регулирования имеют следующие достоинства:
Простота расчета регуляторов каждого контура при настройке по тому или иному оптимуму.
Высокие статические и динамические показатели обеспечиваемые настройкой контуров регулирования по модульному или симметричному оптимумам.
Простота ограничения регулируемых координат.
Унификация оборудования обусловленная особенностями регуляторов СПР и наличием унифицированных блочных систем регулирования специально выпускаемых для СПР.
Основной недостаток - некоторый проигрыш по быстродействию.
Расчет структурной схемы ЭП подразумевает определение передаточных функций звеньев системы автоматизированного электропривода: регуляторов объекта регулирования обратных связей.
В теории автоматизированного электропривода разработан инженерный метод синтеза унифицированных контуров регулирования получивший название метода последовательной коррекции с подчиненным регулированием координат. Этот метод позволяет расчетным путем определить параметры регуляторов обеспечивающих заданные динамические показатели контура регулирования.
При подчиненном регулировании координат система электропривода разделяется на группы звеньев в каждой из которых как правило имеется только одна большая постоянная времени. Каждая из таких групп звеньев включается в контур регулирования со своим регулятором и обратной связью. В результате система получается многоконтурной причем каждый последующий контур охватывает предыдущий. Выходные величины регуляторов внешних контуров регулирования оказываются входными для внутренних контуров регулирования. Поэтому такие системы называют системами подчиненного регулирования координат с последовательной коррекцией. Одна из регулируемых координат является основной остальные – подчиненными (рис. 5.1).
Для регулирования скорости двигателей экскаваторов используется система двухзонного регулирования. Ёе составной частью является система замкнутая по скорости с подчиненным контуром тока воздействующая на напряжения якоря двигателя. Второй частью САР является система с подчиненным контуром потока возбуждения воздействующая на напряжение обмотки возбуждения. В такой системе регулирования скорости до номинальной обеспечивается за счет изменения напряжения на якоре от нуля до номинального значения при номинальном потоке возбуждения. Регулирование скорости выше номинальных значений осуществляется за счет воздействия на поток при постоянном значении ЭДС. При регулировании в первой зоне ЭДС двигателя ниже номинальной регулятор потока поддерживает постоянный поток возбуждения на скоростях выше номинальных во второй зоне поддерживается равенство ЭДС двигателя номинальному значению. При этом поток возбуждения изменяется обратно-пропорционально скорости.[8]
1 МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ
1.1 Моделирование и расчет параметров якорной цепи двигателя
Главная цепь электромеханического преобразования энергии включает силовой полупроводниковый преобразовательный агрегат (СПА) электродвигатель и промежуточную передачу механического движения рабочему органу механизма.
Силовой полупроводниковый преобразовательный агрегат ( СПА ) в цепи якоря рассматривается как управляемый эквивалентный генератор ЭДС с внутренним активным сопротивлением и внутренней индуктивностью не зависящими от нагрузки преобразователя. Ток нагрузки считается непрерывным; пульсирующие составляющие ЭДС и тока нагрузки преобразователя не учитываются.
Питающая сеть считается бесконечно мощной т.е. связанные с изменением нагрузки колебания напряжения питания преобразователя отсутствуют. Полезная составляющая ЭДС преобразователя пропорциональна управляющему воздействию на входе его системы управления. Данное воздействие предварительно фильтруется и ограничивается с целью
обеспечения помехозащищенности и работоспособности преобразователя при произвольном изменении внешнего управляющего сигнала.
Двигатель представляется в виде генератора противо- ЭДС с внутренним активным сопротивлением и индуктивностью не зависящими от нагрузки. Влияние реакции якоря на возбуждение двигателя не учитывается.
Механическая часть рассматривается как абсолютно жесткая приведенная одномассовая система с постоянной величиной момента инерции. Предполагается что момент статического сопротивления механизма содержит в общем случае реактивную и активную составляющие. [5]
Уравнение преобразователя
где kп – коэффициент усиления преобразователя
Uу – напряжение управления В
Еп – ЭДС на выходе преобразователя В
Это уравнение описывает характеристику СПА как безинерционного управляемого источника питания в цепи якоря двигателя
Уравнение обмоток двигателя
Еп= Eд +IэRэ + Lэ (5.3)
где Iэ – мгновенное значение тока якоря А
Rэ – эквивалентное активное сопротивление цепи Ом
Lэ – эквивалентное индуктивное сопротивление цепи Гн
Eд – противо -ЭДС обмоток двигателя В
Это уравнение электрического равновесия цепи якоря схема замещения которой приведена на рис. 5.2.
Рисунок. 5.2 Схема замещения цепи якоря
Уравнение вращающего момента двигателя
где k – конструктивная постоянная двигателя
Ф – магнитный поток Вб
Уравнение противо - ЭДС
где – угловая частота вращения двигателя с-1
Уравнение механической части двигателя
где Мст – статический момент нагрузки Нм
J – момент инерции кг·м 2
Эквивалентное сопротивление цепи
где - эквивалентное активное сопротивление учитывающее снижение выпрямленного напряжения из-за коммутационного процесса в преобразователе
Сопротивление ошиновки:
RШ = 02RЯД = 020063= 00126 Ом.(5.8)
Активное сопротивление цепи выпрямленного тока:
Индуктивность цепи выпрямленного тока:
Номинальная ЭДС двигателей
EД.НОМ= UД.НОМ- IД.НОМRЯЦ = 2220 – 3800063 = 41606В. (5.11)
ЭДС холостого хода преобразователя:
Еd0 = Kвн U2 = 135 416= 5616 В.(5.12)
Передаточная функция тиристорного преобразователя:
Передаточная функция якорной цепи:
Передаточная функция механической части
Рисунок 5.3 - Структурная схема объекта управления.
Электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя:
Механическая постоянная времени привода:
Коэффициент передачи преобразователя по напряжению:
1.2 Моделирование и расчет параметров цепи обмотки возбуждения
Дифференциальные уравнения цепи обмотки возбуждения:
где: м – потокосцепление обмотки возбуждения
rВ – сопротивление цепи возбуждения
ТВб – постоянная времени потока рассеяния
rд – сопротивление дополнительной обмотки
ТВд - постоянная времени дополнительной обмотки
iВ – ток обмотки возбуждения
Iд – ток дополнительной обмотки .
Системе уравнений соответствует структурная схема.
Рисунок 5.4 -. Структурная схема цепи возбуждения.
Для синтеза САР рассматривается линеаризованная структура. В соответствии с [7] вместо функции iм (φ) фигурирует соотношение iм= Кφφ где Кφ = Кφ(φ0) – характеризует наклон кривой iм (φ) в выбранной точке установившегося режима. Если ввести в рассмотрение коэффициент рассеяния главного потока р = ТВб ТВ и коэффициент вихревых токов вт = rВ rд то передаточная функция цепи возбуждения примет следующий вид:
где: Т1В = (1+р +ВТ)
Поскольку в САР непосредственно измеряется не поток а ток возбуждения необходимо рассмотреть взаимосвязь между током и потоком:
Wφ1B(p) = Кφ + ВТТВР
Передаточная функция объекта управления принимает вид:
Усреднённая постоянная времени главного потока:
Коэффициент рассеяния главного потока (принимается): Р= 018.
Коэффициент вихревых токов вт = 005. [7]
Постоянная времени цепи возбуждения:
Т1В = (1+Р + вт)ТВ = (1+018+005) 057 =07 с.(5.24)
Вторая постоянная времени цепи возбуждения:
Напряжение питания возбудителя UПВ =220 В.
ЭДС возбудителя ЕdОВ = КВНUПВ = 135220 = 297 В.
Коэффициент передачи преобразователя возбуждения:
1.3 Расчет параметров объекта регулирования в относительных единицах
Для анализа удобнее выразить все переменные (кроме времени t) в отностельных единицах. За базовые величины принимаем номинальные значения параметров [4]:
Напряжение якорной цепи: Uб = Ед.ном =440 В
Ток якорной цепи: Iб = Iд.ном = 380 А.
Сопротивление якорной цепи:
Ток возбуждения: IбВ = IВ.НОМ = 12 А.
Напряжение возбуждения: UбВ = UВ.НОМ = 220 В.
Угловая скорость: бВ = ДНОМ = 942 радс.
Поток возбуждения Фб = ФНОМ =1710-2 Вб.
Момент: Мб = МД.НОМ = 7958Нм.
Напряжение системы регулирования: Uбр = 10 В.
Сопротивление системы регулирования: Rбр = Zбр = 10 кОм.
Относительный коэффициент передачи преобразователя по напряжению:
Относительное значение магнитного потока:
Относительное значение эквивалентного сопротивления цепи:
Относительное значение сопротивления обмотки возбуждения:
Коэффициент обратной связи контура тока принимаем из условия полного использования динамического диапазона тракта измерения тока равным единице.
Задаемся максимальным напряжение на выходе датчика скорости равного напряжению управления 10 В.
Коэффициент передачи датчика скорости в относительных единицах
Напряжение управления UУВ = 10 В.
Относительный коэффициент передачи преобразователя возбуждения:
Относительные коэффициенты датчиков обратных связей по цепи обмотки возбуждения равны1 [7]
2 СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
Система управления скоростью электропривода подъема экскаватора включает в себя: - две системы регулирования скорости приводных двигателей которые выполняются двухзонными по принципу подчиненного регулирования параметров с последовательной коррекцией;
- систему задания скорости вырабатывающую сигналы задания для системы регулирования тока;
- систему автоматизированного стопорения при перегрузке.
Система регулирования скорости выполняется цифровой. Всё остальные функции управления реализуются на микропроцессорном устройстве.
2.1. РАСЧЕТ КОНТУРА ТОКА.
Анализ проводится при допущениях: индуктивность цепи якоря не изменяется при изменении тока нагрузки размагничивающие действие реакции якоря не учитывается.
Рисунок 5.5– Структурная схема первого контура САР.
Передаточная функция регулятора
где [W0(p)]-1 – компенсирующая часть устраняющая инерционность первого звена объекта регулирования;
- составляющая обеспечивающая астатизм системы по управляющему воздействию;
Тi – это параметр системы который выбирается по модульному или симметричному оптимуму.
Проектируемая САР применяется для стабилизации скорости привода поэтому при настройке применяют модульный оптимум.
Согласно модульному оптимуму
По формуле 6.2 получаем передаточную функцию регулятора тока
ТРТ=kДТkТПrэ-12 Т =1 128 108 002=02765 с
Таким образом в результате синтеза получается пропорционально-интегральный регулятор тока.
Частота среза контура тока:
Для компенсации внутренней обратной связи по ЭДС двигателя дополняем схему положительной обратной связью по противо-ЭДС двигателя на вход регулятора скорости с звеном компенсации ЭДС (ЗКЭ) передаточная функция звена
Регулятор тока снабжаем нелинейным элементом НЭ 4 обеспечивающий ограничение выхода регулятора а следовательно защиту от чрезмерно больших управляющих воздействий.
2.3 РАСЧЕТ КОНТУРА СКОРОСТИ.
Дифференциальные уравнения объекта управления.
Если рассматривать замкнутый контур тока как колебательное звено с передаточной функцией
то структурную схему контура скорости можно изобразить:
Рис 5.6 Структурная схема контура регулирования скорости.
Объект управления имеет передаточную функцию:
Выбираем регулятор скорости в соответствии с принципом подчинённого регулирования то получаем:
где: ТW – постоянная времени контура скорости.
Исходя из настройки системы на модульный оптимум принимаем ТW =4Т
Система с П- регулятором скорости является статической по возмущающему воздействию при моменте нагрузки равному номинальному скорость уменьшается на величину статической ошибки [7]:
Поскольку статическая ошибка привода подъема не должна превышать 2%П-регулятор скорости в этой системе не может быть применён.
Для устранения ошибки применяется ПИ-регулятор скорости (двухкратно интегрирующая система). Установившееся сигнал на входе ПИ-регулятора не может отличаться от нуля поэтому система является астатической по нагрузке. В соответствии с [4] передаточная функция регулятора скорости выбирается в виде:
Получаем передаточную функцию регулятора скорости состоящею из 2 составляющих: внутреннего регулятора пропорционального типа и внешнего интегрирующего типа.
Получаем структурную схему.
Рис 5.7 Структурная схема контура регулирования скорости с ПИ -регулятором.
Путём эквивалентных структурных преобразований получаем передаточную функцию полученного регулятора скорости представляем в виде.
где - передаточный коэффициент регулятора скорости.
где - постоянная времени регулятора скорости.
В результате синтеза получаем пропорциональный интегральный регулятор скорости.
Для компенсации нелинейности объекта управления при регулировании во второй зоне необходимо реализовать φ = е в этом случае можно записать:
На входе регулятора скорости осуществляется операция умножения на скорость двигателя и деление на ЭДС якоря.
Чтобы обеспечить ограничение тока необходимо предусмотреть специальный элемент определяющий установку токоограничения. Задача ограничения тока допустимым значением равным двум номинальным значениями Iмакс=2Iном=2*380=760А обеспечивается путем введения в структуру САР нелинейного элемента НЭ2 в канал обратной связи по скорости с характеристикой «зона нечувствительности». Если выходной сигнал выходит за пределы заданного уставкой НЭ2 то выходной сигнал НЭ поступающий на вход регулятора резко возрастает и вычитаясь из задающего сигнала регулятора резко уменьшает выходной результирующий сигнал. Подчиненная регулятору скорости система регулирования тока якоря обеспечивает ограничение тока и момента двигателя. В результате получаем «экскаваторную» характеристику двигателя.
Для обеспечения плавного разгона двигателя с заданным временем пуска на входе регулятора скорости размещаем задатчик интенсивности
2.3 Расчет контура тока возбуждения
Объектом управления данного контура служит звено входом которого являются напряжение управления тиристорного возбудителя а выходом магнитный поток.
Для анализа применяются следующие допущения:
)Вихревые токи учитываются с помощью дополнительной замкнутой обмотки на общем магнитопроводе с обмоткой возбуждения.
)Потоки рассеяния замыкаются только по воздуху и не влияют на насыщения магнитопровода.
В соответствии с принципом подчинённого регулирования определяем передаточную функцию регулятора потока:
где: Тφ – постоянная времени контура потока.
Система настраивается на модульный оптимум: Тφ = 2ТВ .
Некомпенсируемая постоянная времени контура потока принимается ТВ = 002 с тогда Тφ = 2ТВ = 004 с
Хотя объект управления является нелинейным: то ЛАЧХ разомкнутого контура потока при изменении Кφ отличается от ЛАЧХ оптимально настроенного контура только в области весьма низких частот и нелинейность практически не оказывает влияния на качество регулирования[8]. Структурная схема контура потока приведена на рис 5. 10 .
Рис.5.10. Структурная схема контура потока.
Сигнал обратной связи по потоку возбуждения выполняется с помощью датчика тока возбуждения и измерителя потока. В соответствии со структурной схемой для реализации линейной единичной обратной связи по потоку возбуждения характеристика измерителя потока в статическом режиме должна повторять (в относительных единицах) характеристику намагничивания двигателя (рис 3.7.) постоянная времени измерителя потока должна компенсировать действие вихревых токов. С учетом этого передаточная функция измерителя потока имеет вид:
Измеритель потока реализуется на основе апериодического звена с постоянной времени Ти.п. = втТв охваченного обратной связью через нелинейный элемент соответствующей характеристики намагничивания.
Система настраивается на модульный оптимум: Тφ = 2ТВ
Принимается ТВ = 002 с
Получаем ПИ регулятор тока возбуждения с настроечными параметрами»
Частота среза контура потока:
Нелинейный элемент НЭ9 защищает систему регулирования потока от слишком низких снижений напряжений возбуждения.
2.4 Расчет контура ЭДС
Контур регулирования ЭДС якоря двигателя является внешним по отношению к контуру регулирования потока. На входе регулятора ЭДС производится сравнение сигнала установки задания номинальной ЭДС и сигнала датчика ЭДС.
Уравнение объекта управления: е = φ .
Для того чтобы организовать обратную связь по ЭДС необходимо выделить сигнал ЭДС якоря это возможно сделать зная напряжение на якоре двигателя и ток якоря. ЭДС двигателя связана с этими величинами следующим соотношением:
Для реализации точного измерения ЭДС было бы необходимо на выходе датчика тока якоря установить форсирующие звено однако это привело бы к тому что при дифференцировании в систему проходили бы пульсации и помехи. Поэтому падение напряжения определяется в виде суммы двух сигналов: сигнал датчика тока подаётся на пропорциональное и реальное дифференцирующие звено в котором постоянная времени дифференцирующего звена равна Тяд а постоянная времени фильтра равна Т . При этом ЭДС измеряется в соответствии с выражением:
Рис.5. 11 .Структурная схема датчика ЭДС.
Поскольку в контуре ЭДС нет больших постоянных времени которые нужно компенсировать регулятор ЭДС выполняется интегральным:
где: Те – постоянная контура ЭДС.
Система настраивается на модульный оптимум [6]:
Те = 2(Тφ+Тдэ) = 2(004+002) = 0048 с.
На выходе регулятора ЭДС предусмотрен делительный элемент производящий операцию φ* = φз и тем самым компенсирующий нелинейность имеющую место в структурной схеме двигателя поскольку при работе в первой зоне поток должен поддерживаться неизменным регулятор ЭДС должен работать на ограничение величина которого определяет задание на номинальный ток возбуждения. Как только ЭДС достигает номинального значения определяемого заданием регулятор вступает в работу и поддерживает ЭДС на номинальном уровне изменяя поток возбуждения. Регулятор ЭДС отрабатывает только ошибки измерителя потока и делительного элемента. При этом наибольшее значение перерегулирования ЭДС имеет место при торможении при подходе к номинальной скорости:
Рис 5. 12 Структурная схема контура ЭДС.
При изменении магнитного потока коэффициент усиления регулятора скорости будет изменятся для сохранения оптимальной настройки САР в регуляторе скорости выделяем усилительное звено с постоянными параметрами и блок деления на переменную φ.
Нелинейное звено НЭ7 воспроизводит характеристику намагничивания двигателя;
НЭ 5 –блок выделения модуля ЭДС;
НЭ 6 установлен в цепи компенсирующего сигнала для выделения модуля сигнала датчика и ограничения сигнала модуля по минимуму;
НЭ 8 обеспечивает двухстороннее ограничение сигнала задания потока.
Полная структурная схема двухзонного регулирования скорости приведена на чертеже 2.
ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Двигатели экскаватора получают питание от преобразователя входящего в состав типового комплектного тиристорного электропривода КТЭУ–400440–432221–200Р-УХЛ. Электропривод двухдвигательный с последовательным соединением якорей режим работы реверсивный с изменением полярности на якоре выпрямитель построен по 6- пульсной мостовой схеме с двухзонным регулированием скорости с линейным контактором и динамическим торможением. Преобразователь в цепи якоря связан с сетью 380 В через повышающий трансформатор преобразователь в цепи возбуждения присоединен к сети 380 В через токоограничивающие реакторы.
КТЭУ включает в себя следующие функциональные узлы:
Силовая часть тиристорного преобразователя;
Силовой питающий трансформатор;
Защитная аппаратура;
Система импульсно фазового управления;
Оперативная коммутационная аппаратура;
Согласующий реактор;
Управляемый возбудитель;
Система автоматического регулирования координат электропривода;
Система логического управления;
Электроизмерительные приборы.
В силовой схеме предусмотрен ряд защит. Максимальная токовая защита цепи на стороне переменного тока реализована выключателями QF1 на стороне постоянного тока QF2. обмотки возбуждения автоматическим выключателем QF3. Реле напряжения КV1 отключается при недопустимом снижении питающего напряжения. Данная защиты воздействуют на систему управления приводом отключая его. Защита тиристоров от перенапряжений осуществляется цепочками R-C. [7].
Принципиальная электрическая схема силовых цепей на рис. 6.1
Рис. 6.1 Принципиальная электрическая схема силовых цепей
АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
В результате исследования данного электропривода в приложении Simulink из пакета программы MatLab были получены графики переходных процессов (см. рис. 7.1). В ходе исследования данных графиков переходных процессов можно зафиксировать что при скачке задающего воздействия привод разгоняется за расчетное время 134 с под действием максимального пускового момента с нулевой статической ошибкой. При разгоне присутствует динамическая ошибка по скорости равная 2 % (по графику).
Рис. 7.1 – Переходный процесс в системе электропривода
Рис. 7.2.- Математическая модель электропривода без учета обмотки возбуждения
в относительных единицах
В результате исследования электропривода в программе MatLab получены графики переходных процессов: пуска торможения и остановки. Согласно графику можно снять величину статической ошибки по скорости:
Динамическую ошибку Δ Д с-1 определяем по формуле:
где: – ускорение привода радс2.
Динамическая ошибка в процентах:
Суммарная ошибка по скорости (в переходном процессе обусловленном изменением задающего воздействия по линейному закону):
В курсовом проекте рассчитан электропривод механизма подъема экскаватора ЭКГ 32.. Описаны особенности его конструкции выбран тип электропривода и системы управления. По величине статических нагрузок рассчитана необходимая мощность приводного двигателя подъема экскаватора выбраны два двигателя постоянного тока Рном= 75 кВт Uном=220 В Iном=380А nном= 900 обмин.
Двигатель проверен по нагреву методом среднеквадратичного момента. Для привода рассчитаны элементы тиристорного привода: трансформатор тиристоры сглаживающий дроссель. Получена математическая модель двигателя рассчитаны её параметры в системе относительных единиц. Разработана система двухконтурного автоматического регулирования скорости с ПИ-регуляторами тока и ПИ-регулятором скорости с системой регулирования тока возбуждения.
Данная система обеспечивает требуемые технологические требования к приводу подъема экскаватора и обладает требуемыми показателями качества.
Чулков Н.Н. Расчет приводов карьерных машин – М Недра 1987г.
Виноградов В.С. Оборудование для механизации производственных процессов на карьерах.. М Недра 1974г.
И. П. Копылов Справочник по электрическим машинам. Т2 М.: Энергоатомиздат 1989.
Перельмуттер В.М. Комплектные тиристорные электроприводы. – М.: Энергоатомиздат 1984
Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов постоянного тока с тиристорными преобразователями напряжения. Екатеринбург: УРОРАН 2000.
Ключев В.И. Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов. Учебник для вузов – И Энергия 1980г.

icon Схема структурная.dwg

Схема структурная.dwg
Электропривод экскаватора ЭКГ 3
двухзонного регулирования
Структурная схема системы

Свободное скачивание на сегодня

Обновление через: 22 часа 32 минуты
up Наверх