Проектирование автоматизированного электропривода хода экскаватора ЭКГ-10

принципиальная ЭКГ10 ход.dwg

Принципиальная схема силовых электрических цепей. i0
Кинематическая схема хода экскаватора хода
Принципиальная схема силовых цепей двигателя
Кинематическая схема привода хода экскаватора ЭКГ 10
Электропривод 1 гусеницы
- электродвигатель; 2 - соединительная муфта; 3 - электромагнитный тормоз; 4 - трехступенчатый редуктор 5 - гусеница хода экскаватора.
Электропривод хода экскаватора ЭКГ 10
Модернизация главного

ЭКГ10 ход курсовой11.doc

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
По дисциплине: “Автоматизированный электропривод машин и установок”
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ХОДА ЭКСКАВАТОРА ЭКГ 10
Студентка группы ЭГП .
Доцент канд. техн. наук Елисеев В.В.
Условия работы и требования предъявляемые к проектируемому электроприводу4
Обзор и анализ систем проектируемого электропривода 7
Расчет мощности и выбор двигателя управляемого преобразователя14
1. Предварительный выбор двигателя14
2 Расчет редуктора17
3 Построение нагрузочной и скоростной диаграмм выбранного двигателя 18
4 Проверка двигателя по условиям нагрева и механическую перегрузку20
Расчет и выбор элементов тиристорного преобразователя22
1Выбор понижающего трансформатора24
3 Выбор сглаживающего дросселя26
Разработка САУ электропривода и расчет её элементов29
1Моделирование и расчет параметров объектов управления31
2Синтез системы автоматического регулирования 38
Анализ динамических свойств электропривода49
Описание принципиальной схемы электропривода52
Одноковшовый экскаватор — землеройная машина циклического действия для разработки (копания) перемещения и погрузки грунта. Рабочим органом является подвижный ковш закреплённый на стреле рукояти или канатах. Ковш загружается за счет перемещения относительно разрабатываемого грунта. При этом корпус экскаватора относительно грунта остается неподвижным — тяговое усилие создаётся механизмами экскаватора. Это отличает экскаватор от скрепера и погрузчика где тяговое усилие при загрузке ковша создаётся перемещением корпуса машины. Одноковшовый экскаватор — наиболее распространённый тип землеройных машин применяемых в строительстве и добыче полезных ископаемых. Эффективность эксплуатации одноковшовых экскаваторов во многом определяет основные технико-экономические показатели горного предприятия.
В карьерных экскаваторах типа ЭКГ используется большое количество систем разнообразных по назначению и принципу работы. Практически все известные на сегодня схемы преобразования энергии такие как гидравлика пневматика электропривод электроника нашли применение на этих машинах. Первичной и главной ступенью преобразования энергии в современных тяжелых экскаваторах является электрическая энергия поступающая в экскаватор через высоковольтную питающую цепь – является электропривод.
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;
- приводные электродвигатели с устройствами возбуждения;
- механическое оборудование включающее устройство передачи движущего момента рабочему органу и рабочий орган – ковш.
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 и хода для экскаваторов ЭКГ. Указанные электроприводы принято называть главными. Эффективность и производительность работы экскаватора в основном определяется степенью автоматизации электропривода.
УСЛОВИЯ РАБОТЫ И ТРЕБОВАНИЯ ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПРОЕКТИРУЕМОМУ ЭЛЕКТРОПРИВОДУ
Экскаваторы ЭКГ - одноковшовые полноповоротные электрические машины на гусеничном ходу.
Э - экскаватор К – карьерный Г – гусеничный. Следующая цифра (например ЭКГ 5) обозначает вместимость ковша в кубических метрах. Буквенный индекс возможно следующий за цифрой показывает вариант модернизации (например У - экскаватор с удлинённым рабочим оборудованием для верхней погрузки) а также может обозначать код производителя (Н - Новокраматорский Машиностроительный Завод).
Рабочее оборудование экскаватора ЭКГ называется «прямая механическая лопата».
Экскаваторы ЭКГ предназначены для разработки и погрузки полезных ископаемых и вскрышных пород в транспортные средства или в отвал.
Экскаваторы ЭКГ используются на открытых горных работах в чёрной и цветной металлургии в угольной промышленности в промышленности строительных материалов а также для выполнения земляных работ в промышленном строительстве.Экскаватор ЭКГ-10 является базовой моделью. Для использования экскаватора ЭКГ-10 в различных технологических схемах на его базе разработаны следующие модификации:
ЭКГ-10М с уширенным ковшом вместимостью 115 м3 и лучшей заполняемостью ковша при использовании на угольных разрезах. Основной ковш предназначен для пород с объемом весом в целом не более 27 тм3 (по специальному заказу).
ЭКГ-10Р с ковшом 8 м3. Экскаватор ЭКГ-10Р имеет увеличенное подъемное усилие до 110 т вместо 100 т и рядную подъемную лебедку с увеличенным межцентровым расстоянием редуктора. На поворотной платформе предусмотрены платики и отверстия для крепления как рядного так и планетарного редуктора подъема..
Рис 1.1 -Внешний вид экскаватора ЭКГ 10 [1]
Конструктивные особенности экскаватора ЭКГ:
-шарнирно-сочлененная стрела;
-конструкция ковша за счет оптимизации его геометрии и углов резания обеспечивает улучшенную внедряемость в забой полную наполняемость объема ковша сокращение цикла погрузки снижение энергоемкости копания;
-подъем ковша полиспастный;
-однобалочная рукоять экскаватора выполнена из высокопрочной штампованной трубы.
-седловой подшипник с регулируемыми боковыми и верхними роликами для направления движения рукояти при напоревозврате. Это дает возможность компенсировать износ и снизить динамические нагрузки на рабочее оборудование экскаватора;
-крепление ковша к рукояти – фланцевое неподвижное на высокопрочных болтах это обеспечивает простую замену и высокую надежность;
-планетарные редукторы механизмов подъема и поворота экскаватора в сравнении с применяемыми ранее редукторами более компактны имеют большую нагрузочную способность надежны и долговечны в работе;
-кабельный барабан с электроприводом для подмотки и размотки кабеля при переездах экскаватора и его работе в забое. Емкость кабельного барабана – 630 м;
-ходовая тележка имеет индивидуальный привод гусениц;
-приподнятая над кузовом кабина машиниста обеспечивает хорошую обзорность во время работы. Кабина просторна герметизирована снабжена системой отопления кондиционером вентиляцией и обогревом стекол виброизолированным креслом;
Особенности электропривода гусеничного хода одноковшовых экскаваторов: [2].
)Кратковременный режим работы. Моменты статической нагрузки изменяются в широких пределах - от реактивного превышающего номинальный момент двигателя до активного достигающего 30% номинальной нагрузки при движении под уклон;
)Динамические нагрузки на конструкции горных машин при их перемещении должны быть ограничены по условиям их прочности; возможны наезды гусениц машин на препятствия и как следствие механические стопорения;
)Для обеспечения маневренности и точности установки машины необходимо как согласованное так и раздельное регулирование скорости гусениц;
)Движение машины под уклон может производиться на скорости выше номинальной.
Условия эксплуатации электроприводов экскаваторов:
)Температурный диапазон окружающего воздуха от-45 до +450С для климатического исполнения «У» от-50 до +450С для исполнения «ХЛ» и от-50 до +500С для исполнения «Т»
)Высокая запыленность окружающего воздуха – содержание не агрессивных и не взрывоопасных частиц до 3 мгм3.
)Влажность воздуха до 85% при +200С.
)Жесткие механические воздействия (тряска вибрация удары наклоны).
)Ограниченная мощность карьерных сетей. Существенные колебания напряжения выходящие за нормы ГОСТ для промышленных сетей (до +20% -40%).
)Стесненные условия размещения ограниченные зоны обслуживания.
)Эксплуатация в полевых условиях затрудняющих обслуживание и ремонт техники на объекте.
)Нехватка обслуживающего персонала.
Из перечисленных технологических особенностей и условий эксплуатации вытекают следующие основные требования к главным электроприводам экскаваторов.
Бесступенчатое двузонное регулирование скорости в диапазоне (3-4):1 обеспечение реверса и рекуперативного торможения.
Жесткость механической характеристики должна обеспечивать удержание массы экскаватора и позиционирование механизмов в нуле задания скорости осуществлять демпфирование упругих электромеханических колебаний обеспечивать оператору визуальный контроль над нагрузкой электропривода защищать механическое и электрическое оборудование от чрезмерных перегрузок.
Ограничение момента в установившихся режимах стопорениях и «тяжелых» переходных процессах сумма статического и динамического моментов превышает допустимое значение.
Ограничение ускорения в «легких» переходных процессах когда сумма статического и динамического моментов не достигает допустимой величины.
Ограничение рывка (производной момента) в переходных процессах.
Минимальное время переходных процессов для механизмов при соответствующих ограничениях на момент ускорение и рывок.
Электропривод должен сохранять работоспособность при глубоких просадках напряжения сети. При авариях и отключениях сети «самоходы» механизмов должны быть исключены.[2]
АНАЛИЗ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И СТРУКТУР СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Завод изготовитель экскаватора ЭКГ 10 (и его модификациий) выполняет систему электропривода по системе генератор-двигатель с современной электронной системой управления возбуждением на основе тиристорных преобразователей обеспечивающих независимое бесступенчатое регулирование главных приводов и формирование оптимальных статических и динамических характеристик. Система управления снабжена необходимыми блокировками для обеспечения надежной и безопасной работы экскаватора. Блочное исполнение преобразователей облегчает обнаружение неисправностей и их ремонт. По желанию заказчика экскаватор может быть оборудован электроприводами по системе тиристорный преобразователь- двигатель или асинхронным частотно-регулируемым электроприводом [1].
Для выбора системы электропривода сравним системы по Г-Д и ТП-Д по различным критериям:
По конструктивному исполнению:
Генератор имеет вращающиеся части значит требует периодического ремонта имеет низкий весовой показатель хорошо отработанная конструкция генератора делает его достаточно надёжным.
ТП это статический преобразователь требует техосмотра и имеет блочное исполнение. Его система диагностики сокращает время на поиск поломок и их ремонт.
Генератор обладает значительной электромагнитной инерцией поэтому требуется форсирование переходных процессов генератора. Он исключает возможность скачкообразного изменения ЕГ что является естественной защитой от опасных ускорений.
ТП имеет принципиальную надежность скачкообразного изменения Епр все толчки нагрузки передаются в сеть и наоборот. ТП позволяет сформировать практически любой закон Епр=f(t).
По коэффициенту полезного действия (КПД):
КПД системы ТП-Д выше чем КПД системы Г-Д.
По влиянию на питающую сеть:
ТП при глубоком регулировании Еd имеет низкий cosj поэтому экономия электроэнергии за счёт более высокого КПД резко уменьшается. Значительное потребление реактивной энергии приводит к существенному падению напряжения питающей сети.
ТП является генератором высших гармоник что негативно влияет на работу других потребителей.
Генератор практически всегда приводится в движение СД которые работают с опережающим cosj поэтому повышается cosj не только данной машины и установки но и всего предприятия в целом.
По принципу управления:
Генератор управляется проще чем ТП поэтому эксплуатация и наладка ТП требует более высокой квалификации обслуживающего персонала.
По коэффициенту усиления мощности:
У ТП коэффициент усиления значительно больше чем у генератора что позволяет осуществить прямое цифровое управление каждым тиристором что значительно улучшает энергетические показатели ТП.
С точки зрения динамики экскаваторных электроприводов особенно в режимах тяжелых стопорений система генератор-двигатель с полупроводниковым возбуждением практически исчерпывает свои потенциальные возможности.
Для увеличения производительности и снижения динамических нагрузок на механическое оборудование необходимо применение статических преобразователей в электроприводе. На «постоянном токе» – это система тиристорный преобразователь - двигатель (ТП-Д) с соответствующим фильтрокомпенсирующим устройством (ФКУ) а на «переменном токе» – полупроводниковый преобразователь частоты – асинхронный двигатель (ПЧ-АД).
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 [2].
Сравним системы по ТП-Д и ПЧ-АД для выбора системы электропривода хода экскаватора [5]:
)По конструктивному исполнению:
Двигатели постоянного тока в системе ТП-Д сложные требующие частого обслуживания что делает их эксплуатацию дорогой; к тому же они имеют низкую степень защиты.
Двигатели переменного тока (асинхронные двигатели) просты и надежны не нуждаются в обслуживании имеют более низкую цену и кроме того более высокую степень защиты.
По перегрузочной способности
Сравнение рабочих характеристик двигателей показывает что двигатель постоянного тока выгоднее асинхронного при продолжительной работе на низких скоростях и для широкого диапазона скоростей при постоянной мощности.
Рис 2.1 – Рабочие характеристики систем ПЧ-АД и ТП-Д
Коммутация и преобразование электрической энергии:
Структурная схема 1-квадрантного привода постоянного тока
Переход тока от одного тиристора к другому начинается с пускового импульса и после этого продолжается в линейно взаимосвязанном режиме. Это значит что напряжение между коммутируемыми фазами сети поляризуется таким образом что ток вновь открываемого тиристора увеличивается и запирает предшествующий тиристор снижая его ток до ноля. Коммутация тиристоров производится естественным путем (напряжением сети) при переходе тока через ноль и запирание тиристоров происходит без каких-либо проблем даже при значительной перегрузке. Поэтому тиристоры могут выбираться не по пиковому току а по среднедействующему номинальному току нагрузки.
Рис 2.2 Принципиальная схема подключения полупроводниковых элементов в системе ТП-Д
Хотя входной выпрямительный мост преобразователя частоты работает подобно приводу постоянного тока однако выпрямленный им ток должен быть преобразован обратно в 3-х фазный переменный с помощью инвертора. Так как у постоянного тока нет никаких переходов через ноль то переключающие элементы (IGBT транзисторы) должны прерывать полный ток нагрузки. Когда IGBT транзистор закрывается ток проходит через обратный диод на противоположный полюс напряжения постоянного тока. Переключение происходит без контроля напряжения но оно возможно в любое время независимо от формы сетевого напряжения.
Коммутация в преобразователях частоты происходит с большой частотой и в выходном напряжении появляется высокочастотная составляющая и могут возникнуть проблемы с электромагнитной совместимостью.
Рис 2.3 Принципиальная схема подключения полупроводниковых элементов в системе ПЧ-АД
В преобразователях постоянного тока есть только один контур преобразования
энергии (AC DC). В преобразователях частоты два контура преобразования энергии (AC DC и DC AC) т.е. потери мощности удваиваются по сравнению с приводами постоянного тока. В результате потери мощности полученные эмпирическим путем следующие: ППТ - 0.8 % 1.5 % от номинальной мощности; ЧРП - 2 % 3.5 % от номинальной мощности.
Обычно используемая независимая вентиляция (прим. в 85 % регулируемых приводов до 250 kW) гарантирует хороший отвод тепла от якоря двигателя постоянного тока во всем диапазоне скоростей.
В стандартных асинхронных двигателях обычно используемая самовентиляция (прим. в 90 % регулируемых приводов до 250 kW) не является эффективной во всем диапазоне скоростей. На низких скоростях отвод тепла фактически не возможен.
Обслуживание двигателя:
В настоящее время в зависимости от сложности приложения ресурс щеток двигателя постоянного тока составляет примерно 7000 12000 часов благодаря современному коллекторному узлу углеродистым щеткам и оптимизированному полю возбуждения. В зависимости от механических условий эксплуатации интервал замены смазки в двигателях постоянногопеременного тока может быть соизмерим а зачастую и меньше чем ресурс щеток коллекторного двигателя.
Степень защиты двигателя:
Исторически сложилось так что начиная с 20-х годов двигатели постоянного тока разрабатывались в основном для регулируемых приводов что обусловило применение в них внутренней форсированной независимой вентиляции (прим. в 85 % двигателей до 250 kW). Стандартные асинхронные двигатели активно начали применяться в 70-х80-х годах и в большинстве своем (прим. 90 % до 250 kW) производились с поверхностной самовентиляцией так как частотно-регулируемые приводы тогда не были широко распространены. Фактически все асинхронные двигатели мощностью прим. до 1400 kW имеют степень защиты IP 54 как стандарт благодаря их простой и прочной конструкции. Для эксплуатации в зонах с повышенной опасностью практически исключительно используются взрывозащищенные асинхронные двигатели. Асинхронный двигатель отыграл для себя ведущую позицию и доказал свою эффективность в тех секторах промышленности которые характеризуются агрессивными условиями окружающей среды высокой степенью загрязненности и запыленности.
и место для установки двигателя:
Более низкие масса и габариты двигателей постоянного тока (стандартная степень защиты IP 23) по сравнению с асинхронными двигателями (стандартная степень защиты IP 54) особенно важны для приложений где двигатель должен перемещаться вместе с грузом ив системах где важно компактное размещение -экскаватор.
Место требуемое для размещения шкафа преобразователя мощностью от 100 kW: ППТ - 100 % ЧРП - 130 % 300 %. Это преимущество приводов постоянного тока обуславливает уменьшение размера и стоимости электрошкафа [5].
Поскольку для привода хода экскаватора нужно обеспечить высокодинамичные режимы с постоянным моментом вращения жесткими требованиями по перегрузочной способности в широком диапазоне скоростей и рекуперацию энергии обратно в сеть применяем систему электропривода ТП-Д [3].
Рис.2.4 Функциональная схема электроприводов экскаватора выполненного по системе ТП-Д.[2]
Система управления выбранной системой ТП-Д по следующим типам структур:
Рис. 2.5– Структура САУ с суммирующим усилителем
Структура с суммирующим усилителем (рис 2.5) обеспечивает экскаваторные механические характеристики значительную жесткость в области рабочего участка плавное регулирование скорости с ограничением ускорений и рывков достаточно широкий диапазон регулирования. В этой структуре для формирования рабочего участка используется жесткая отрицательная связь по напряжению управляемого преобразователя а для ограничения момента - отрицательная обратная связь по току с отсечкой. Устойчивость системы и качество переходных процессов по нагрузке обеспечиваются гибкими обратными связями по току и напряжению. Для ограничения ускорений и рывков в переходных процессах по управляющему воздействию применяется задатчик интенсивности. Структура требует компромиссных настроек и очень сложна в наладке. Поэтому на смену ей в 70-е годы прошлого века пришла структура с подчиненным регулированием координат.
Двухконтурная структура подчиненного регулирования координат с последовательной коррекцией и звеном ограничения представлена на рис. 2.6.
Рис. 2.6 -Двухконтурная структура подчиненного регулирования координат с последовательной коррекцией и звеном ограничения
Внутренний (подчиненный) контур регулирования тока имеет пропорциональный или пропорционально-интегральный регулятор тока РТ. Сигналы в контуре тока суммируются на звене ограничения ЗО которое предназначено для ограничения ошибки на входе РТ. Внешним является контур регулирования напряжения с пропорциональным регулятором РН. Характеристика РН задает форму экскаваторной механической характеристики привода. Во всех режимах работы привода когда ток якоря незначительно отличается от заданного на выходе регулятора напряжения РН ЗО работает на своей линейной части и поддерживает ток на уровне заданного. При этом отрабатывается заданная статическая механическая характеристика. В случаях когда ошибка по току выходит за заданный предел что случается в легких переходных процессах происходит ограничение сигнала на входе РТ и соответствующее ограничение производной напряжения на выходе управляемого преобразователя и как следствие - ограничение ускорения двигателя [2].
РАСЧЕТ МОЩНОСТИ И ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ УПРАВЛЯЕМОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
1. Предварительный выбор двигателя
На экскаваторах с рабочим оборудованием механических лопат наиболее широкое распространение получило гусеничное ходовое оборудование благодаря равномерной передаче давления на почву и малой величине удельного давления хорошему сцеплению с почвой позволяющему развивать большие тяговые усилия хорошей маневренности и устойчивости экскаватора высокой проходимости и преодолению сравнительно больших по углу (до 12") подъемов. Передвижение экскаваторов с гусеничным ходом на другое место работы или в безопасное место работы при взрывных работах ограничивается как правило небольшими расстояниями. Однако при перемещении даже на сравнительно небольшие расстояния на пути экскаватора могут быть подъемы или развороты с проседанием ходовой части механизма в горной породе. Поэтому при определении мощности и выборе двигателей гусеничных ходовых механизмов следует рассматривать два режима их работы: длительный (при передвижении экскаватора по горизонтальной поверхности) и кратковременный (с максимальной нагрузкой при передвижении на подъем или разворот) [4].
Таблица 3.1 – Технические данные экскаватора ЭКГ 10 [1]
Технические характеристики экскаватора ЭКГ- 10
Емкость основного ковша м3
Расчетная продолжительность цикла на угол 900 с
Наибольшее усилие на подвеске ковша кН
Наибольшая мощность сетевого двигателя кВт
Номинальная мощность трансформатора кВА
Скорость передвижения кмчас
Рабочая масса с ковшом т
Конструктивная масса т
Масса основного ковша т
Угол наклона стрелы град
Наибольший радиус разгрузки м
Наибольшая высота копания м
Наибольший радиус копания м
Среднее давление на грунт при передвижении кПа
Наибольшая высота разгрузки м
Наибольший преодолеваемый уклон пути в град
Максимальное усилие при движении экскаватора на подъём для экскаваторов средней мощности [4ф.2.38]:
Fт.п = (WВН+WК + WИ+WП. )G (3.1)
где Wп – усилие сопротивления подъёму Wп =G s
Wвн – внутренние сопротивления (трения в подшипниках трение гусениц при движении о грунт Wвн =(0048 – 0091) G Н;
Wи – сопротивления силам инерции Wи =(0012 – 002) G Н;
Wк – сопротивления катанию Wи =(0082 – 0175) G Н; [2.35a]
α – допустимый угол подъёма трассы градусы;
G=g m=39510398=3871103 Н
Fт.п = (007+0016 + 009+sin12о )3871103 = 1486103 Н
Для определения мощности электропривода нужно определить усилие требуемое для движения экскаватора на подъём. Скорость при перемещении на подъём принимаем как 85% от скорости перемещения по горизонтальной трассе.
Vхп = 085Vгх = 08507= 0165 мс(3.2)
Мощность двигателя при движении на подъем [4ф.2.38]
где -КПД гусеничного хода принимаем по примеру [4с.78]
Максимальное усилие при движении экскаватора по горизонтальной поверхности [4 ф.2.37]:
Fт.п = (WВП+WК + WИ)G (3.4)
Fт.г = (007+0016 + 009) 3871 103= 6813 103 Н
Мощность двигателя при движении по горизонтальной поверхности [4ф.2.37]
Так как для электропривода хода экскаватора ЭКГ 10 применяется индивидуальный привод каждой гусеницы двигатель выбираем по условию [4 стр.78]
Исходя из расчетной мощности выбираем электродвигатель тяговый постоянного тока ДЭ-812 предназначен для привода хода карьерного экскаватора ЭКГ-10 количество двигателей в комплекте привода – 2[6]
Режимы работы двигателей по ГОСТ 183-74: повторно-кратковременный (S3 при ПВ = 80%) и кратковременный (S2 с длительностью периода 60 мин) - при использовании в приводах для экскаваторов;
Технические данные двигателей при использовании их в приводах для экскаваторов:
Номинальное напряжение - 305 В
Номинальный ток якоря- 430 А
Номинальная мощность - 120 кВт
Номинальная частота вращения - 750 мин-1
Номинальное напряжение возбуждения - 85 В
Номинальный вращающий момент- 1528 Н·м
Максимальный вращающий момент при номинальном напряжении - 3140 Н·м
при трогании с места и частоте вращения не более 20% номинальной – 3580.
Ток соответствующий значению максимального момента А: при номинальном напряжении** - 1000 А
при трогании с места - 1200 А
Максимальная частота вращения - 1900 мин-1
Момент инерции - 575 кг·м2
Масса двигателя кг в исполнении: IМ4014 - 1800
Магнитный поток одного полюса: Ф=009 Вб
Число витков обмотки возбуждения W=288
Номинальный ток обмотки возбуждения Iв=14А
Примечание: Нестандартное номинальное напряжение определяется системой электропривода экскаватора.
Диаметр ведущего колеса [4c.178]:
где КL – конструктивный коэффициент [4c.177].
Частота вращения ведущего колеса[4с.76]:
Передаточное число редуктора [476]:
Выбираем редуктор[4]: трехступенчатый iред=280 [4 прил. 8].
Кинематическая схема механизма представлена на рис.3.1. [4рис.15 в]
Рис.3.1 – Кинематическая схема редуктора на 1 гусеницу
3 Построение нагрузочной и скоростной диаграмм выбранного двигателя
Для упрощения расчетов момент инерции цилиндрического редуктора принимаем равным 15-20% от момента инерции якоря двигателя [4с.42]:
Момент инерции поступательно перемещающихся масс [4с.42]:
Суммарный момент инерции:
ΣJ = Jя + Jред + Jпост = 575+115+24=93м2(3.11)
Момент статической нагрузки на валу при движении на подъем
где мех – КПД механизма хода
адв – количество двигателей в системе.
Момент статической нагрузки на валу при движении по горизонтальной поверхности [4]:
Экскаваторный двигатель ДЭ 817 обеспечивает максимальный вращающий момент при трогании с места и частоте вращения не более 20% номинальной:
Максимальный вращающий момент при номинальном напряжении:
Пусковой момент для упрощения принимаем как среднее арифметическое между стопорным моментом и моментом отсечки:
Динамические моменты при пуске и торможении принимаем равными друг другу:
Номинальная угловая скорость вращения:
Время пуска и торможения при движении на подъем:
Динамические моменты при пуске и торможении при движении по горизонтальной поверхности:
Момент развиваемый при торможении:
Время пуска и торможения при движении по горизонтальной поверхности:
4 Проверка двигателя по условиям нагрева и механическую перегрузку
Коэффициент механической перегрузки при наибольшей загрузки двигателя
При этом допустимое время перегрузки
где Тнаг – постоянная времени нагрева для двигателей закрытого типа 3 час [4 стр.77]
Следовательно выбранный двигатель будет обеспечивать максимальную мощность при движении на подъем в течении 2186 мин.
Время работы двигателя обусловленное длиной кабеля [4]:
где lкаб –максимальная длина кабеля по емкости кабельного барабана (стр.5)
Так как допустимое время перегрузки выше чем время возможного подъема экскаватора обусловленное длиной кабеля выбранный двигатель сможет работать при перегрузке при движении на подъем.
При расчете эквивалентного момента учитываем только нагрузку при движении по горизонтальной поверхности т.к. данный режим для электропривода является продолжительным.
Выбранный двигатель соответствует условиям нагрева.
Рис. 3.1 – Нагрузочная диаграмма привода хода ЭКГ10
.РАСЧЕТ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
В данном случае используем систему ТП-Д с импульсно-фазовым управлением.
Выбор тиристорного преобразователя производится по следующим условиям [8]:
где: Id.ТП – выпрямленный ток преобразователя А;
UdТП – номинальное выпрямленное напряжение тиристорного преобразователя;
UН..ДВ =UН=440В – номинальное напряжение эквивалентного двигателя;
Номинальный ток двигателя:
По условию 4.1 выбираем тиристорный преобразователь экскаваторный ЭПТЭ[7]
Шкафы ЭПТЭ предназначены для управления электродвигателями основных механизмов экскаватора (подъема тяги (напора) вращения или хода) и обеспечивают замену главного электромашинного преобразовательного
Электропривод постоянного тока ЭПТ обеспечивает:
плавный пуск и торможение электродвигателя;
регулирование частоты вращения электродвигателя напряжением якоря в диапазоне от нуля до номинального значения;
регулирование частоты вращения электродвигателя выше номинальной при номинальном напряжении якорной цепи ослаблением поля в диапазоне 100-200% номинального значения;
реверс направления вращения электродвигателя;
экскаваторную" электромеханическую характеристику (жесткую на рабочем участке и крутопадающую в режиме токоограничения);
ограничение величины пускового и рабочего тока электродвигателя в диапазоне от 11 до 25 номинального значения; В состав комплекта для системы ТП-Д входят собственно шкафы ЭПТЭ включающие в свой состав силовую часть и систему управления и высоковольтный силовой трансформатор.
2 Выбор понижающего трансформатора
Понижающий трансформатор нужен для согласования напряжения питания тиристорного преобразователя с напряжением питающей сети.
Для выбора питающего трансформатора для тиристорного преобразователя необходимо учесть следующие условия [8]:
- напряжение обмотки высшего напряжения трансформатора должно совпадать с напряжением питающей сети:U1Н =UС;
где напряжение питающей сети UС = 6 кВ;
- вторичное номинальное фазное напряжение трансформатора: U2НФ > U2Ф.расч;
где: U2Ф.расч – вторичное фазное расчетное напряжение трансформатора;
- номинальный вторичный фазный ток трансформатора: I2ФН > I2Ф.расч.;
где: I2Ф.расч – расчетный вторичный фазный ток трансформатора;
Вторичное фазное расчетное напряжение трансформатора: U2Ф.расч=098× Е2Ф;
где: Е2Ф – вторичная фазная ЭДС трансформатора; Е2Ф.расч=Кu× Е
где: Кu =1234 - коэффициент зависящий от схемы выпрямления в данном случае для трехфазной мостовой схемы;
Еd0 – ЭДС на выходе преобразователя;
Э.Д.С. на выходе преобразователя:
где: КС =10511- коэффициент учитывающий возможное скачки напряжения питающей сети на 5÷10%;
Кd = 1115 – коэффициент учитывающий неполное открывание тиристоров при максимальном управляющем сигнале;
КП = 105 – коэффициент учитывающий падение напряжения в преобразователе;
Ud – требуемое выпрямленное напряжение соответствующее номинальному напряжению питания эквивалентного двигателя;
ЭДС ТП на вторичной обмотке трансформатора:
kтп = 243 – фазный коэффициент выпрямления мостовой схемы ТП;
Напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора:
U2Ф.расч=098× 173=170 В;
где: KI2 = 0815 - коэффициент зависящий от схемы выпрямления в данном случае для трехфазной мостовой схемы;
Id – номинальный выпрямленный ток соответствующий номинальному току якоря эквивалентного двигателя;
I2Ф.расч=0815×305=2485 А;
Требуемая мощность трансформатора:
где: KS = 1045 - коэффициент зависящий от схемы выпрямления в данном случае для трехфазной мостовой схемы;
Pd – требуемая выпрямленная мощность;
Pd = UН.ДВ×IH.ДВ = 305 430 =13115 кВт;
STР =1045×13115=13705 кВА;
Исходя из полученных данных выбираем трансформатор [7]: ТСЗПЛ-1606У3:
Схема соединения обмоток трансформатора:
Напряжение сетевой обмотки: U1Н =
Напряжение вентильной обмотки: U2Н =
Ток вентильной обмотки: I2Н =
Потери в режиме холостого хода: РХХ% =
Потери в режиме короткого замыкания: РКЗ% =
Напряжение короткого замыкания: UКЗ% =
Ток холостого хода: IХХ% =
Среднее значение выпрямленного тока через вентиль при пуске электропривода:
где стопорный ток электродвигателя А
Максимальное обратное напряжение на вентиле:
где для мостовой схемы
Необходимо применение тиристоров с предельным током In>Iв.ср.=400 А и рекомендуемым рабочим напряжением Uр>Uобр=321 В. Принимаем к установке тиристоры таблеточного исполнения. [7]
Таблица 4.1 – Технические характеристики тиристоров
Тип рекомендуемого охладителя
3 Выбор сглаживающего дросселя
Сглаживающий дроссель предназначен для снижения пульсаций ЭДС и выпрямленного тока.
Для проверки необходимости в установке и оценки индуктивности сглаживающего дросселя необходимо выполнить два условия:
где: LS - суммарная индуктивность якорной цепи;
ЕПУЛЬС – пульсирующее ЭДС;
т = 6 – пульсность для трехфазной мостовой схемы;
IПУЛЬС – пульсирующий ток;
wС – угловая частота тока сети;
Id.ГР – граничное значение выпрямленного тока;
где: LЯ.ДВ – индуктивность обмотки якоря эквивалентного двигателя;
LТР – индуктивность трансформатора;
где: К = 06 – коэффициент учитывающий размагничивающее действие якоря в данном случае для некомпенсированных машин постоянного тока;
р = 4 – число пар полюсов;
где: ХТР – индуктивное сопротивление фазы трансформатора;
а =2 – коэффициент учитывающий мостовую схему выпрямления;
где: ZТР – полное сопротивление фазы трансформатора;
RTP –активное сопротивление фазы трансформатора;
где: I1ФН – номинальный фазный ток первичной обмотки трансформатора;
КTP – коэффициент трансформации трансформатора;
т2 = 3 – число фаз во вторичной обмотке;
где: I1Н – номинальный линейный ток первичной обмотки трансформатора;
где: fC = 50 Гц – частота тока питающей сети;
wС =2×314×50 = 314159 с-1;
LS =Lя+Lтр=000135+0000536=000189Гн;
Пульсирующие значения ЭДС и тока
ЕПУЛЬС=02× UН.ДВ=02×305=61 В;
IПУЛЬС=(0203)× IН.ДВ=02×430=86 А;
Id.ГР = 01×IН.ДВ = 01×430 = 43 А;
Произведем проверку необходимости применения сглаживающего дросселя по условиям 4.8 и 4.9:
Второе условие не удовлетворено. Необходимая индуктивность:
Lдр≥000294-000189 Гн
Устанавливаем два последовательно включенных дросселя [8]: ФРОС=12505У3
LS = LЯ.ДВ+LТР + LДР =000189+00015=000339 Гн.
Второе условие удовлетворено.
РАЗРАБОТКА САУ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И РАСЧЕТ ЕЁ ЭЛЕМЕНТОВ
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.
Рис. 5.1 Структурная схема системы подчиненного регулирования
Сущность построения систем с подчиненным регулированием координат заключается в следующем (см. рис. 5.1) [9]:
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:
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.
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. [9]
Для регулирования скорости двигателя хода 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.[9]
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. [9]
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 преобразователя
где: a = 0004 (1°С) – температурный коэффициент меди;
Dt=155°-20°=135°С – разность температуры 135° - максимальная температура для изоляции класса нагревостойкости F;
Активное сопротивление якорной цепи Ом
Сопротивление ошиновки:
RШ = 02RЯЦ = 020032= 00064 Ом.(5.8)
Активное сопротивление цепи выпрямленного тока:
Индуктивность цепи выпрямленного тока:
Номинальная противо - ЭДС двигателей
EД.НОМ= UД.НОМ- IД.НОМRЯЦ = 305– 4300032 = 29124В. (5.11)
ЭДС холостого хода преобразователя:
Еd0 = Kвн U2 = 135 315= 42525 В.(5.12)
Передаточная функция тиристорного преобразователя:
Передаточная функция якорной цепи:
Передаточная функция механической части
Рис. 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) 185 =227 с.(5.24)
Вторая постоянная времени цепи возбуждения:
Напряжение питания возбудителя UПВ =85 В.
ЭДС возбудителя ЕdОВ = КВНUПВ = 13585 = 11475 В.
Коэффициент передачи преобразователя возбуждения:
1.3 Расчет параметров объекта регулирования в относительных единицах
Для анализа удобнее выразить все переменные (кроме времени t) в относительных единицах. За базовые величины принимаем номинальные значения параметров [9]:
Напряжение якорной цепи: Uб =U д.ном =305 В
Ток якорной цепи: Iб = Iд.ном = 430 А.
Сопротивление якорной цепи:
Угловая скорость: бВ = ДНОМ = 9215 радс.
Момент: Мб = МД.НОМ = 1528Нм.
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:
Напряжение управления UУВ = 10 В.
Относительный коэффициент передачи преобразователя возбуждения:
Относительные коэффициенты датчиков обратных связей по цепи обмотки возбуждения равны. [9]
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.
Рис. 5.5– Структурная схема первого контура САР.
Передаточная функция регулятора
- 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 5.33 получаем передаточную функцию регулятора тока
Таким образом в результате синтеза получается пропорционально-интегральный регулятор тока.
Передаточный коэффициент датчика тока
Передаточный коэффициент датчика тока в относительных единицах
Параметры регулятора тока в абсолютных единицах
ТРТ=КДТКТПRэ-12 Т =00234250099-1002=0197 с
Параметры регулятора тока в относительных единицах
ТРТ=kДТkТПrэ-12 Т =11390139-1002=02 с
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 1 обеспечивающий ограничение выхода регулятора а следовательно защиту от чрезмерно больших управляющих воздействий.
2.2 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
Задаемся максимальным напряжение на выходе датчика скорости равного напряжению управления 10 В.
Коэффициент передачи датчика скорости в абсолютных единицах
Коэффициент передачи датчика скорости в относительных единицах
Коэффициент пропорциональности регулятора скорости в абсолютных единицах
Коэффициент пропорциональности регулятора скорости в относительных единицах
Система с П- регулятором скорости является статической по возмущающему воздействию при моменте нагрузки равному номинальному скорость уменьшается на величину статической ошибки [7]:
Поскольку система управления электроприводом хода должна обеспечивать астатизм второго порядки по отношению к возмущающему воздействию т.е. при скачке активной нагрузки скорость должна быть равна 0 П-регулятор скорости в этой системе не может быть применён.
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.
Чтобы обеспечить ограничение тока необходимо предусмотреть специальный элемент определяющий установку токоограничения. Задача ограничения тока допустимым значением равным двум номинальным значениями Iотс=1200А 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.
Рис. 5.8 – Структура токоограничивающего элемента
Для обеспечения плавного разгона двигателя с заданным временем пуска на входе регулятора скорости размещаем задатчик интенсивности
Рис. 5.9 – Структура задатчика интенсивности
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.
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 НЭ4 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 [9]:
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 НЭ5 воспроизводит характеристику намагничивания двигателя;
НЭ 6 –блок выделения модуля ЭДС;
НЭ 7 установлен в цепи компенсирующего сигнала для выделения модуля сигнала датчика и ограничения сигнала модуля по минимуму;
НЭ 8 обеспечивает двухстороннее ограничение сигнала задания потока.
АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
В результате исследования данного электропривода в приложении Simulink из пакета программы MatLab [10] были получены графики переходных процессов (см. рис. 6.2). В ходе исследования данных графиков переходных процессов можно зафиксировать что при скачке задающего воздействия привод разгоняется за принятое время 085 с под действием максимального пускового момента 25 Мном при перерегулировании 4% (по графику) до заданной скорости при отсутствии статической ошибки. При разгоне присутствует задержка реакции системы на управляющее воздействие обусловленное большой массой частей электропривода приводимых в движение.
Расчетная динамическая ошибка по скорости при линейном нарастании задающего сигнала:
DwДИН=аС×аТ×Тm×eо;(6.1)
где: eо – ускорение привода;
где: tП = 1 с – время пуска с учетом сенсомоторной реакции машиниста;
Скорость х.х двигателя:
DwДИН=2×2×001×8224=328с-1;(6.5)
Динамическая ошибка в процентном отношении:
Переходные процессы при пуске показаны на рис. 6.1 Математическая модель на рисунке 6.2.
Строим искусственные основные характеристики соответствующие замкнутой системе электропривода. Так как согласно полученному графику переходного процесса статическая ошибка по скорости отсутствует то механическая характеристика замкнутой системы имеет линейный вид.
Построение механических характеристик замкнутой системы производится по номинальной скорости двигателя соответствующей заданной до момента отсечки и стопорения заданных параметрами двигателя.
Рис. 6.1 – Переходный процесс в системе электропривода
Рис. 6.2.- Математическая модель электропривода в относительных единицах
Рис 6.3 – Механические характеристики системы электропривода хода
ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Для обеспечения маневренности и точности установки экскаватора необходимо как согласованное так и раздельное регулирование скорости гусениц. Для раздельного управления двигателями правой и левой гусеницы предусмотрены две независимых системы электропривода для каждого двигателя. Согласованность работы электроприводов обеспечивается их идентичностью и наличием замкнутых по скорости систем управления которые приводят скорость к заданному значению при скачке нагрузки на валу.
Двигатели правой и левой гусеницы экскаватора получает питание от тиристорного преобразователя ЭПТЭ-1-6-2 6 2 2-УХЛ4.
В состав комплектного тиристорного электропривода входит:
- коммутационная аппаратура: автоматический выключатель на стороне переменного тока QF1 разъединитель на стороне постоянного тока линейный контактор переменного тока КМ.
- защитная аппаратура: 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.
- токоограничивающий ректор выполняющий функцию согласования питающей сети двигателя и защиты тиристоров от пробоя при скачках тока тока;
- тиристорный преобразователь соединенный по реверсивной мостовой схеме обеспечивающий преобразование трехфазного переменного напряжения сети в регулируемое постоянное в зависимости от угла отпирания тиристоров подаваемых системой импульсно-фазового управления;
-сглаживающего дросселя LR1 уменьшающего пульсации выпрямленного напряжения;
- электроизмерительные приборы амперметр и вольтметр постоянного тока;
- блок датчиков системы автоматики.
- система регулируемого возбуждения двигателя с тиристорной мостовой схемой и понижающим трансформатором.
Принципиальная электрическая схема силовых цепей на чертеже1
При включении автоматического выключателя QF1 подается питание через токоограничивающий реактор на тиристорный преобразователь силовой цепи. Срабатывает реле напряжения KV и замыкая свой контакт в цепи управления подготавливает её к включению. При включении выключателя QF3 подается напряжение через токоограничивающие реакторы L1-L3 и тиристорный мост VS1-VS6 на обмотки возбуждения и обмотки реле КА1 и КА2 которые включаясь замыкают контакты КА1.1 и КА2.1 в цепи управления.
При включении выключателя SF1 подается питание в цепи управления и защит. При нажатии на кнопки SB1 и (или) SB2 происходит включение пускателей КМ1 и (или) КМ2 которые своими контактами КМ1.2 и КМ2.2 самозапитываются и при отпускании кнопок пускателей питание в обмотках реле остается. При включении реле КМ1 и КМ2 замыкаются контакты КМ1.1 и КМ2.1 которые коммутируют цепи питания двигателей также замыкаются контакты КМ1.4 КМ2.4 которые коммутируют цепи питания задания скорости на входе микропроцессорной системы управления. Также при включении реле КМ1 и КМ2 замыкаются контакты КМ1.3 и КМ2.3 которые в свою очередь запитывают обмотки электромагнитов YA1 и YA2 последние замыкая свои контакты отжимают тормоза и растормаживают привод хода. Резисторы R1 и R2 обеспечивают форсировку срабатывания тормоза.
В качестве датчиков тока якоря для обратной связи используются шунты RT1 и RT2. В качестве датчиков скорости применяется датчик напряжения преобразователя выполненный на потенциометрах RV1 и RV2.
В силовой схеме предусмотрен ряд защит.
Максимальная токовая защита цепи на стороне переменного тока реализована выключателями QF1 на стороне постоянного тока реле максимального тока КАm обмотки возбуждения автоматическим выключателем QF3. При превышении тока якоря на 40-50% от стопорного - реле срабатывает и своим размыкающим контактом – обесточивает катушку контактора КМ1. Это приводит к снятию напряжения с цепей управления наложению тормозов.
Защита от потери возбуждения двигателя М1 осуществляется при помощи реле КА1 включенных в цепи обмоток возбуждения. При падении напряжения в цепи возбуждения хотя на 10-20% или при полном его исчезновении реле размыкает контакт КА1.1 который размыкает цепь питания реле КМ1.
Защита тиристоров от перенапряжений осуществляется цепочками R-C.
Для управления комплектами тиристоров применяется микропроцессорная система управления.
Рис.7.1 – Блок схема системы управления тиристорным преобразователем.
Использование микропроцессоров позволяет добиться четкой работы логики при раздельном управлении комплектами исключить дрейф нулей в системе управления когда нужен ноль иметь независимую настройку от окружающей температуры иметь разветвленную систему самодиагностики предугадывать аварийные ситуации (например опрокидывание инвертора посредством контроля за углом коммутации). При сбое хотя бы в одном из внутренних узлов прекращается функционирование всей системы управления. Микропроцессорная техника - это безошибочная отработка алгоритмов когда параметры структуры не зависят от внешних условий а также удобство настройки когда параметры и алгоритмы меняются а схемотехника остается неизменной.
На рис. 7.1 показана блок-схема системы управления тиристорным преобразователем. Центральным элементом является микроконтроллер МКК который осуществляет функции СИФУ логики и регуляторов. Восемь входных аналоговых сигналов через коммутатор К и усилитель с управляемым коэффициентом управления РУ поступает на вход встроенного АЦП (порт 1). Блок питания формирует необходимые напряжения питания а также синхроимпульсы СИ для работы подпрограммы СИФУ. Тиристоры управляются импульсами управления формируемыми ЯПР по цифровому коду определяющему номер включаемого вентиля. Для связи с пультом управления а также контроллером более высокого уровня (персональным компьютером) предназначен последовательный порт ввода-вывода RS-232 с гальванически развязанным формирователем сигналов ФС.
Специально разработанный протокол связи обеспечивает надежный помехозащищенный обмен информацией с сетью в которую можно включить до 15 преобразователей. Подпрограммы асинхронного СИФУ работают по специально разработанному быстродействующему алгоритму использующему таймер для расчета моментов времени подачи импульсов управления тиристорами. Алгоритм исполняется независимо от основной программы посредством прерывания от таймера что обеспечивает большую точность выставления угла отпирания.
Параметры настройки хранятся в электрически перезаписываемом ППЗУ доступ к ним возможен по протоколу обмена. Специально разработанная цифровая структура управления позволяет использовать преобразователь в различных системах электропривода. Особенность структуры заключается в возможности любого универсального соединения блоков (регуляторов СИФУ логики) - как в «конструкторе» Частота расчета всех элементов структуры в разработанном преобразователе составляет 12 кГц
Масандилов Л.Б Энциклопедия по электрооборудованию горных экскаваторов ЭКГ. МЭИ Москва 1999 г
Остриров В.Н. Микитченко А.Я. Современное состояние и тенденции развития электроприводов горных машин открытых разработок Электропривод экскаваторов: Доклады научно-практического семинара 3февр. 2004г. Москва. – М.: Издательство МЭИ 2004. – 112 с.
Н.Н. Чулков. Расчет привода карьерных машин – М.: Недра 1987. - 196с.
Комплектные тиристорные электроприводы. Справочник. Под. ред. Перельмутера В.М. – М.: Энергоатомиздат 1988. – 319с.
Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов постоянного тока с тиристорными преобразователями напряжения. Екатеринбург: УРОРАН 2000.
Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебник для высш. и сред. учеб. заведений. – СПб.: КОРОНА принт : Учитель и ученик 2001.

Схема структурная.dwg

Электропривод хода экскаватора ЭКГ 10
двухзонного регулирования
Структурная схема системы ЭП с
Переходный процесс при пуске и торможении привода
Структурная схема электропривода хода с двухзонным регулированием скорости
Механические характеристики электропривода