Расчет и проектирование автоматизированного тиристорного электропривода

Иллюстратор_готов.dwg

Структурная схема замкнутой электромеханической системы постоянного тока
Алгоритм моделирования
График переходного процесса частоты вращения якоря
График переходного процесса тока якоря
Механическая характеристика замкнутой и разомкнутой ЭМС
Исходные данные: Rя; Lя; Мс; J; Uma Uос; с; КТГ; Кд; Кy; tп; v; a
Начальные условия: v=0; t=0; j=0; I=0
Uос=Kд.Ктг.v Up=Uз-Uос Uy=Ky.Uy a=a.Uy + b
I=I+ v=v+ t=t+ i=i+1
Регулировочная характеристика
Зависимость напряжения от угла наклона отпирания тиристора
Электромеханическая система постоянного тока. Результаты моделирования
Основные уравнения: Uос = kд.Uтг; Uтг = kтг.v; Uр = Uз - Uос; Uу = kу.Uр; a = 180 - 12.Uу; U = 3.Uа.(1 + cos(a))p; dIя = ((U - C.v - Rя.Iя)Lя). dv = ((C.Iя - Mс)J). U = E + Iя.Rя + Lя.dIя M = J.dvdt - Mс

Спецификация.dwg

Двигатель 2ПН112МГУХЛ4
Масло машинное И-20А
СевНТУ Кафедра АТПП группа АКТ-42д
Электромеханическая система постоянного тока

Электрическая схема.dwg

Электромеханическая система постоянного тока. Схема электрическая принципиальная.

Спецификация (2й лист).dwg

Двигатель 2ПН112МГУХЛ4
Масло машинное И-20А
Шайбы пружинные ГОСТ6402-70

ПЗ.DOC

Министерство образования и науки Украины
Севастопольский Национальный Технический Университет
Автоматизированный электропривод технологического оборудования
Расчет и проектирование автоматизированного тиристорного
Разработка конструкции электромеханической системы.
Выбор электродвигателя
Выбор типа редуктора и разработка схемы ЭМС .
Приведение моментов инерции и масс к валу электродвигателя
Моделирование разомкнутой электромеханической системы постоянного тока
Моделирование замкнутой электромеханической системы постоянного тока
Разработка электрической принципиальной схемы
Библиографический список
Электрические машины — это электромеханические преобразователи в которых осуществляется преобразование электрической энергии в механическую или механической в электрическую Основное отличие электрических машин от других преобразователей в том что они обратимы т е одна и та же машина может работать в режиме двигателя преобразуя электрическую энергию в механическую и в режиме генератора преобразуя механическую энергию в электрическую
Широкое распространение двигателей постоянного тока несмотря на их более высокую стоимость и сложность эксплуатации по сравнению с асинхронными объясняется в первую очередь простыми и надежными способами регулирования частоты вращения большими пусковыми моментами и перегрузочной способностью чем у двигателей переменного тока. Наибольшее распространение двигатели постоянного тока получили в приводах требующих глубокого регулирования частоты вращения (металлургическая промышленность транспорт и т п)
Сегодня в мире ежегодно выпускается порядка семи миллиардов электродвигателей. Электродвигатели потребляют около 70% общего количества произведенной электроэнергии и соответственно являются основными потребителями электроэнергии. Поэтому в настоящее время достаточно остро стоит задача оптимального управления электродвигателями не только с технологической точки зрения но и с точки зрения экономии электроэнергии.
В данной курсовой работе будет разработана электромеханическая система постоянного тока.Согласно варианту задания будут выбраны электродвигатель и редуктор разработана схема электромеханической системы.
Также будут промоделированы замкнутая и разомкнутая электромеханические системы и для каждой из них будет получена механическая характеристика и определена жесткость.
Конечным этапом курсовой работы является разработка конструкции электромеханической системы и ее электрической принципиальной схемы
Разработка конструкции электромеханической системы
Таблица1-Исходные данные
1. Выбор электродвигателя
Определим эквивалентную мощность электродвигателя по формуле:
где мощность затрачиваемая на технологических операциях длительностью
Необходимая мощность электродвигателя выбирается по величине где =12 14 - коэффициент запаса мощности.
Рассчитав мощность электродвигателя выбираем из справочника [1] электродвигатель ПН112МУХЛ4 постоянного тока со встроенным тахогенератором серии 2П и мощностью Р=2.5 кВт.
Таблица2-Технические данные двигателя типа 2ПН112 МГУХЛ4.
2 Выбор типа редуктора и разработка схемы ЭМС
Номинальная угловая скорость электродвигателя ()
Ориентировочное значение передаточного отношения тихоходной
ступени редуктора ()
Ориентировочное значение передаточного отношения быстроходной
- передаточное отношение быстроходной зубчатой передачи.
Передаточное отношение редуктора (принятое значение) ()
Принятые значения передаточных отношений тихоходной и быстроходной
- передаточное отношение тихоходной зубчатой передачи;
Погрешность принятого значения передаточного числа
Частота вращения и угловая скорость быстроходного вала редуктора
Частота вращения и угловая скорость промежуточного вала редуктора
Частота вращения и угловая скорость тихоходного вала редуктора
Коэффициент полезного действия привода конвейера ()
- кпд закрытой цилиндрической зубчатой передачи;
- кпд пары подшипников качения;
Мощности (P) и крутящие моменты (T) на валах привода
Мощность и крутящий момент на быстроходном валу редуктора
Мощность и крутящий момент на промежуточном валу редуктора
Мощность и крутящий момент на тихоходном валу редуктора
По передаточному числу передаваемой мощности частоте вращения и
вращающему моменту выбираем редуктор из справочника [2]
Таблица 3 – основные параметры редуктора Ц2Н-160
Рисунок 1 – Кинематическая схема электромеханической системы
3 Приведение моментов инерции и масс к валу электродвигателя
Материал колеса и шестерни – сталь.
Расчет шестрени быстроходной передачи:
Расчет колеса быстроходной передачи:
Расчет шестерни тихоходной передачи:
Расчет колеса тихоходной передачи
Момент инерции вращающихся частей электродвигателя
Момент инерции приводного механизма
Приведенный момент инерции
Моделирование разомкнутой ЭМС постоянного тока
Разомкнутая электромеханическая система (ЭМС) состоит из двигателя редуктора и производственного механизма напряжение прикладывается к якорной цепи регулируется от внешнего источника питания.
Динамика разомкнутой ЭМС полностью описывается системой двух уравнений первое из которых является основным уравнением двигателей постоянного тока и описывает переходные процессы в электрических цепях электродвигателя а второе уравнение описывает механическую систему и построено на основании второго закона Ньютона для вращательного движения.
где U- напряжение приложенное к якорной цепи;
E - э.д.с. двигателя;
- активное сопротивление ток и индуктивность якорной цепи; - активный момент двигателя и момент сопротивления приведенный к валу двигателя;
- круговая частота вращения якоря двигателя
J – момент инерции всех элементов системы приведенный к валу электродвигателя.
Э.д.с. двигателя пропорциональна частоте вращения
где c- конструктивный коэффициент двигателя Ф - магнитный поток возбуждения n - частота вращения в обмин c - коэффициент пропорциональности.
Активный момент двигателя пропорционален току якоря
где - конструктивный коэффициент.
В таблице справочных данных отсутствует значение но недостающую величину можно оценить из следующих соображений:
Коэффициент пропорциональности c может быть определен из формулы
где - номинальная круговая частота вращения
- частота вращения в (обмин)
- номинальное напряжение
- номинальный ток якоря.
Напишем уравнения и таким образом чтобы производные тока и скорости находились в левой части
Для разработанной электромеханической системы разработана программа моделирования разомкнутой ЭМС в среде MathCAD 2000.
Значение напряжения приложенного к якорной цепи равное номинальному напряжению двигателя UН = 220 В момент сопротивления приведённый к валу двигателя равен номинальному значению момента двигателя Мс = 23.81 (Нм).
В результате получаются графики переходных процессов тока якоря и частоты вращения якоря. При включении двигателя используется одноступенчатый реостатный пуск.
Рисунок 2– Алгоритм программы моделирования разомкнутой ЭМС
Рисунок 3– График переходного процесса тока якоря
Рисунок 4– График переходного процесса частоты вращения якоря
Задавая значения напряжений U можно определить соответствующие значения частот вращения результаты представлены в таблице 3.1.
Таблица 4 – Зависимость напряжения от частоты вращения
Рисунок 5 - График зависимости установившейся частоты вращения от напряжения.
Таким образом из результатов моделирования видно что характер зависимости является прямолинейным. Требуемый диапазон регулирования напряжения U = 220 ÷ 860 В.
Построение механической характеристики разомкнутой ЭМС
Задавая значения приведенного момента сопротивления определила соответствующие значения установившейся частоты вращения . Результаты моделирования приведены в таблице 5
Таблица 5 – Зависимость момента сопротивления от частоты вращения
На основании таблицы 5 построен график зависимости для разомкнутой ЭМС:
Рисунок 6 – Механическая характеристика разомкнутой системы
Определим жесткость полученной механической характеристики разомкнутой системы по формуле:
Моделирование замкнутой ЭМС постоянного тока
Структурная схема замкнутой электромеханической системы представлена на рисунке 6 в ней имеется отрицательная обратная связь по скорости при этом напряжение якоря является функцией частоты вращения. Система работает следующим образом: в начальный момент пуска якорь неподвижен напряжение рассогласования максимально углы отпирания тиристоров минимальны и якорная цепь запитывается наибольшим напряжением. По мере разгона двигателя напряжение рассогласования уменьшается и напряжение на якорной цепи падает что приводит к уменьшению частоты вращения рассогласование увеличивается и двигатель начинает разгоняться. Таким образом осуществляются колебания скорости относительно заданного значения.
Для изменения требуемой частоты вращения изменяют напряжение задатчика и схема аналогично начинает отслеживать новую заданную частоту вращения.
При изменении нагрузки на валу двигателя например при увеличении момента происходит уменьшение частоты вращения что приводит к увеличению напряжения рассогласования и двигатель начинает разгоняться. Таким образом осуществляется стабилизация частоты вращения при изменении момента нагрузки.
Рисунок 7 – Структурная схема замкнутой ЭМС постоянного тока
-задающее воздействие
- напряжение обратной связи
- напряжение на выходе тахогенератора
- управляющее напряжение
СИФУ – система импульсно-фазового управления
ТП- тиристорный преобразователь
ТГ- тахогенератор Дел. – делитель напряжения
ПМ – производственный механизм
- момент сопротивления
- угловая частота вращения вала электродвигателя
Коэффициент усиления усилителя = 1;
При максимальном задающем напряжении должна обеспечиваться наибольшая частота вращения которой соответствует максимальное значение напряжения обратной связи поэтому максимальное напряжение рассогласования можно определить
Напряжение на выходе усилителя определяется из выражения:
Максимальное значение напряжения рассогласования должно соответствовать минимальным углам отпирания тиристоров ( 60 эл. град)
Для определения угла наклона ЛИН (линейно - изменяющегося напряжения) СИФУ определим зависимость :
Рисунок 8 – Характеристика СИФУ
Для трехфазной нулевой схемы тиристорного преобразователя среднее значение напряжения находится по формуле
Напряжение на выходе тахогенератора определяется по формуле
Коэффициент деления делителя определяется по формуле
где - максимальное напряжение обратной
Программа моделирования замкнутой ЭМС разработана в среде MathCAD 2000.
Рисунок 8 - график зависимости .
Задавая значения задающего напряжения определяем соответствующие им значения установившейся частоты . Результаты моделирования представлены в таблице
Таблица 6 - Значения задающего напряжения от частоты
Задаём значения приведенного момента сопротивления и определяем соответствующие значения установившейся частоты вращения . Результаты моделирования занесены в таблицу 7
Рисунок 9- График зависимости
Таким образом из результатов моделирования видно что характер механической характеристики является прямолинейным и её жёсткость выше жёсткости механической характеристики разомкнутой системы
Разработка электрической принципиальной схемы
Для разработки электрической принципиальной схемы необходимо выбрать преобразователь и осуществить все подключения в соответствии с руководством по эксплуатации. В настоящее время многие зарубежные фирмы выпускают преобразователи как для двигателей постоянного тока так и для асинхронных двигателей. При разработке электрической схемы подключения ДПТ в курсовой работе использован 4-х квадрантный преобразователь DCS402.0025 серии DCS400 фирмы ABB [3].
Для подключения преобразователя в данной работе использован стандартный макрос (макрос 1). Его характеристика:
- включение выключение и запуск – 2 цифровых входа;
- выбор опорной скорости с помощью аналогового входа;
- внешнее ограничение крутящего момента – 1 аналоговый вход;
- толчковая подача – 2 цифровых входа;
- 2 цифровых входа для внешних событий;
- 2 цифровых входа для аварийного останова и подтверждения неисправности;
Описание входов выходов для макроса 1:
DI1 – включение толчковой подачи 1;
DI2 – включение толчковой подачи 2;
DI3 – внешний сигнал неисправности наличие +24В на этом входе приводит к отключению привода;
DI4 – внешний сигнал тревоги инициирует вывод предупреждения на панели управления но привод при этом не выключается;
DI5 – аварийный останов для работы привода необходимо наличие +24В на этом входе;
DI6 – сброс подача потенциала на этот вход приводит к восстановлению работы привода после устранения возникших неисправностей;
DI7 – включение выключение;
DI8 – запуск останов;
DO1 – готовность к работе +24В когда преобразователь включен но не запущен не установлено стартовое состояние;
DO2 – рабочий режим +24В когда привод запущен;
DO3 – сигнал нулевой скорости двигатель остановлен лиьо сигналом либо под действием момента;
DO4 – групповой сигнал неисправности +24В возникает при всех ошибках и авриях;
DO5 – основной контактор включен.
AI1 – опорная скорость (задатчик скорости);
AI2 – внешнее ограничение крутящего момента (тока якоря);
AO1 – фактическая скорость (напряжение пропорциональное текущей частоте вращения);
AO2 – фактическое напряжение якоря.
Функции управления (работа в дежурном режиме)
Плата управления содержит внутреннюю схему для работы в дежурном режиме. Срабатывание этой схемы вызывает следующее:
- Схема управления зажиганием тиристора возвращается в исходное состояние и блокируется.
- На цифровых выходах принудительно устанавливается напряжение "0 В".
Если напряжение +5 V падает ниже уровня размыкания это вызывает основной перевод в исходное состояние аппаратными средствами. Все регистры ввода вывода принудительно переводятся в состояние 0 и импульсы зажигания подавляются. Мониторинг напряжения питания
Напряжение питания +5 В Сеть
Уровень размыкания +450 В ≤97 В переменного пониженного напряжения тока
Внешние подключения:
Для сдачи в эксплуатацию эксплуатации диагностики привода и управления приводом существуют различные возможности.
Подключение питания
Питание силового конвертора осуществляется от трехвазной сети переменного тока.
В дааном случае так как максимальное напряжение превышает 400 В и составляет 860 В. в схеме используется трехфазный повышающий трансформатор.
Также на плате управления SDCS-CON-3A имеются три канала последовательной передачи:
X7: представляет собой канал последовательной передачи используемый для
- адаптера (3AFE 10035368)
Направляемая сдача в эксплуатацию (програмный “мастер”)
Программирование параметров
Отображение на дисплее опорных и фактических значений
Информация о состоянии
Восстановление после отказа
Многоязычный вариант
Сменные элементы в процессе работы
DCS 400 PA имеет 7-сегментный дисплей
Семисегментный дисплей располагается на плате управления и отображает состояние привода.
Ошибка при тестировании памяти ПЗУЗУПВ
Программа не функционирует
При выполнении загрузочной последовательности
X6: является стандартным каналом последовательной передачи RS232.
Функции отображения:
Ошибка при тестировании
Программа не работает
Работа с использованием ПК
Стандартный кабель RS232 9-контактный субразъем типа D гнездовая-штыревая части без кроссировок
Функциональные возможности:
Пакет программного обеспечения “Drive Window Light”
Рекомендациитребования к системе:
ПК с процессором 386 или более поздней модели
жесткий диск со свободной памятью 5 Мбайт
Windows 3.1 3.11 95 98 NT
накопитель на 35-дюймовом гибком диске
Х8: Выход 24 В. для питания адаптера сетевой связи.
Макс. ток нагрузки: 150 мА.
Внимание: Подключение внешнего источника питания
к этому выходу 24 В может быть причиной
серьезной аварии ущерб от которой
не возмещается по гарантии
Логика привода управляет включением и выключением конвертора и двигателя и защищает того и другого в чрезвычайных ситуациях при возникновении неисправности или при аварийном останове. Данная логика
включает основной контактор вентиляторы и источник возбуждения. Задающая логика работает на нарастающемспадающем фронтах сигнала то
есть она реагирует на изменения сигнала 0-1 и 1-0.
Включение и выключение
Основными командами включения и выключения привода являются ON и RUN. Ниже описывается поведение при включении и выключении с использованием установочных значений по умолчанию.
При включении источника питания электроники (или после неисправности) логика способна принять команды включения лишь после обнуления команд ON и RUN.
Нарастающий фронт команды ON вызывает включение основного контактора вентиляторов и источника возбуждения и конвертор синхронизируется по сети.
Нарастающий фронт команды RUN (команды запуска привода) вызывает отпирание задатчика интенсивности контроллера тока и скорости и привод
разгоняется по опорному значению скорости с темпом задаваемым с помощью Accel Ramp . Команду RUN можно активизировать одновременно с командой ON.
Спадающий фронт команды RUN (команды останова привода) и параметр Stop Mode = Ramp вызывают торможение привода по задатчику скорости задаваемом с помощью Decel Ramp до тех пор пока скорость не упадет ниже уровня задаваемого посредством Zero Speed Lev Далее контроллер тока и скорости блокируется.
Если задается значение Start Mode = Flying Start и во время останова заново выводится команда RUN привод снова ускоряется независимо от выбора Stop
Если задается Start Mode = Flying Start и привод выключается только посредством команды ON (RUN=1) для включения привода требуется только нарастающий фронт команды ON. Если привод пока не перешел в состояние покоя он ускоряется с фактического значения скорости.
Импульсы блокируются спадающим фронтом команды проходят 200 мс и основной контактор вентиляторы и источник возбуждения выключаются и как следствие привод отключается от сети. Данная команда действует также при нахождении привода в рабочем состоянии состоянии торможения или покоя. Другие варианты поведения при включении и выключении
Режимы выключения отличные от режима по умолчанию можно задавать с помощью параметра Stop
Если Stop Mode = Torque L основной контактор вентиляторы и источник возбуждения выключаются и привод тем самым
отключается от сети.
Stop Mode = Coast. импульсы блокируются и привод выбегает по инерции без управления.
Если задается значение Start Mode = Start from Zero и команда RUN снова выводится в период останова данная команда не действует то есть привод
не самозапускается заново после снижения скорости до минимума. Привод может быть заново запущен при условии что команда RUN сбрасывается и заново активизируется при нахождении привода в состоянии покоя.
Выключение в режиме аварийного останова
Наряду с ON или RUN для останова привода может быть использована команда Eme Stop. Ниже описывается процедура с использованием значений по умолчанию.
Спадающий фронт команды Eme Stop вызывает генерацию предупреждения Eme Stop Pend основной контактор вентиляторы и источник возбуждения выключаются и привод тем самым отключается от сети.
Ни команда ON ни команда RUN на данной стадии не действует. Только после понижения скорости до минимума возможен перезапуск привода нарастающим фронтом команд ON и RUN.
Текущий контроль фактического значения скорости
Контролируется обратная связь по скорости от тахогенератора или датчика импульсов. Если расхождение между скоростью вычисленной на
основе ЭДС и скоростью от цепи обратной связи оказывается слишком большим привод выключается с выводом сообщения Speed Meas Fault
Защита DCS400 от перегрева обеспечивается с помощью теплоотводов тиристоров. Как только температура моста доходит до максимума DCS400 выключается с выводом сообщения о неисправности Converter Overtemp . Новое включение конвертора возможно после подтверждения неисправности и достаточного охлаждения. При 5 °C ниже температуры выключения
выводится предупреждение Converter High Temp без выключения привода.
При перегреве активизируется сигнал Fan On (инерционная работа вентилятора) вплоть до охлаждения конвертора. Для оценки сигнала могут быть использованы цифровые выходы DO1 DO5.
Температурная защита двигателя может быть обеспечена с помощью элемента с положительным температурным коэффициентом (PTC) (обычно в обмотке возбуждения или в коммутационной обмотке
двигателя) в DCS400. С этой целью элемент PTC подсоединяют к аналоговому входу AI2. Реакция DCS400 на работу монитора температуры задается с помощью параметра PTC Mode.
Монитор температуры двигателя влияет на сигнал Fan ON точно так же как монитор температуры конвертора: Сигнал остается в активном состоянии до тех пор пока не произойдет достаточное понижение температуры двигателя.
Режимы работы контроллера тока якоря
Скорость двигателя постоянного тока изменяется посредством напряжения якоря. Область значений вплоть до точки в которой достигается номинальное напряжение якоря именуется рабочей областью якоря. Чтобы повысить скорость двигателя до уровня выше указанного номинального напряжения якоря необходимо ослабить магнитный поток. С этой целью уменьшают ток возбуждения. Данная рабочая область называется областью ослабления поля. Поведение контроллера тока в этих рабочих областях зависит от режима работы контроллера тока.
Текущий контроль сетевого напряжения и автоматическое повторное замыкание
Имеется физическое соотношение между напряжением двигателя и требуемым сетевым напряжением а также между заданным сетевым напряжением и результирующим максимальным напряжением двигателя.
Пока приводы работают в чисто двигательном режиме это причинно-следственное соотношение не является критичным исключая тот факт что колебаниям сетевого напряжения сопутствуют колебания на выходе двигателя и колебания скорости; если же приводы работают в регенеративном режиме надежная работа обеспечивается до тех пор пока сохраняется устойчивое сетевое напряжение правильно соотносимое с напряжением двигателя. Минимально допустимое сетевое напряжение вычисляется на основе параметра “номинальное напряжение
якоря”. Если напряжение падает ниже этого вычисленного уровня осуществляется управляемое выключение привода с последующим выводом сообщения об ошибке
Работа схемы приувеличении момента сопротивления.
Система работает следующим образом: в начальный момент пуска якорь неподвижен напряжение рассогласования максимально углы отпирания тиристоров минимальны и якорная цепь запитывается наибольшим напряжением. По мере разгона двигателя напряжение рассогласования уменьшается и напряжение на якорной цепи падает что приводит к уменьшению частоты вращения рассогласование увеличивается и двигатель начинает разгоняться. Таким образом осуществляются колебания скорости относительно заданного значения.
При изменении нагрузки на валу двигателя например при увеличении момента происходит уменьшение частоты вращения что приводит к увеличению напряжения рассогласования и двигатель начинает разгоняться. Таким образом осуществляется стабилизация частоты вращения при изменении момента нагрузки. Для компенсации частоты вращения необходим больший ток якоря.
В ходе разработки даннной курсовой работы была спроектирована электромеханическая система переменного тока.
Данную систему можно условно разделить на три звена – элемент для передачи механической энергии - редуктор двигатель и силовой тиристорный преобразователь DCS400.
В данной курсовой работе были промоделированы механические характеристики замкнутой и разомкнутой электромеханичесих систем постоянного тока и были определены их жесткости.
Жесткость разомкнутой системы составила 5109 а жесткость замкнутой системы составила 7921. Таким образом было экспериментально доказано что жесткость замкнутой системы больше чем разомкнутой.
Кроме конструкции электромеханической системы также была разработана ее электрическая принципиальная схема на базе тиристорного преобразователя DCS400.
Библиографический список
Справочник по электрическим машинам. Под. общ. ред. И.П. Копылова Б.К. Клокова. - М.: Энергоатомиздат 1988.
Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя: В 3 т. Т.1. – 8-е изд. перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. – М.: Машиностроение 2001 – 920 с.: ил.
Тиристорный силовой конвертор DCS для систем с приводами постоянного тока. Справочное руководство по DCS400.
Программа моделирования разомкнутой сисетмы.
Программа расчета зависимости наряжения от частоты вращения
Программа расчета жесткости механической характеристики разомкнутой системы:
Программа моделирования замкнутой сисетмы.
Программа расчета зависимости задающего наряжения от частоты вращения
Программа расчета жесткости механической характеристики замкнутой системы:

Сборочный.dwg

После сборки обеспечть свободное вращение вала. 2. После сборки редуктор залить маслом 3. Размеры для справок
Электромеханическая система постоянного тока Сборочный чертеж
Технические требования
Техническая характеристика
Номинальная мощность
Номинальная частота вращения
Максимальная частота вращения
Цил. двухступенчатый
Максимальный момент
Диапазон регулирования