Учебная работа. Разработка электропривода производственного механизма

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Разработка электропривода производственного механизма

Содержание

Введение

Выбор типа электропривода

.1 Построение диаграммы скорости и нагрузочной диаграммы производственного механизма

.2 Расчет мощности электродвигателя и предварительный его выбор по каталогу

.3 Определение оптимального, по условию минимизации, времени пуска передаточного отношения редуктора

Расчет характеристик работы двигателя

.1 Расчет механических и электромеханических характеристик для двигательного и тормозного режимов

.2 Расчет и выбор пусковых, тормозных и регулировочных сопротивлений

.3 Расчет переходных характеристик за цикл работы

Схема управления электродвигателем и его проверка по нагреву и перегрузке

.1 Проверка двигателя по нагреву и перегрузке

.2 Схема управления электроприводом

Заключение

список литературы

Введение

В данной курсовой работе разработаем электропривод производственного механизма, который будет удовлетворять поставленные требования. Для этого выберем тип двигателя по мощности и рассчитаем статические и динамические характеристики электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения. исходными данными для курсовой работы будут являться диаграммы скорости и нагрузочные диаграммы производственных механизмов, сведения о технологических процессах, показатели производительности, кинематика механизмов.

Глава 1. Выбор типа электропривода

производственный механизм электродвигатель

основными факторами, определяющими род тока, тип и конструктивное исполнение двигателя, являются:

·показатели регулирования скорости (диапазон, плавность, стабильность скорости и т.д.);

·режим работы производственного механизма;

·производительность и надежность установки;

·основные затраты и эксплуатационные расходы на электрооборудование.

В данной работе расчет электропривода производится с двигателем

постоянного тока независимого возбуждения без учета технико-экономических показателей, на основании технического задания.

.1Построение диаграммы скорости и нагрузочной диаграммы производственного механизма

Для построения диаграммы скорости и нагрузочной диаграммы рассчитаем время полного цикла работы электропривода и угловые скорости производственного механизма.

время цикла работы механизма:

(1)

где tp1-время работы с частотой вращения n1 = 10 об/мин;

tp2 — время работы с частотой вращения n2 = 110 об/мин;

tпауз — время паузы.

Произведем пересчет частот вращения ni рабочего органа производственного механизма на угловые скорости ωi в соответствии с выражением:

(2)

Первая технологическая скорость механизма:

вторая технологическая скорость механизма:

По данным расчетов произведем построение диаграммы скорости и нагрузочной диаграммы производственного механизма, результаты построений приведены на рис. 1.1 и рис. 1.2.

Рис. 1.1 — Диаграмма скорости производственного механизма

Рис. 1.2 — Нагрузочная диаграмма производственного механизма для активной нагрузки

1.2Расчет мощности электродвигателя и предварительный его выбор по каталогу

анализ диаграммы скорости и нагрузочной диаграммы производственного механизма показывает, что рассматриваемый электропривод работает в повторно-кратковременном режиме работы.

Для повторно-кратковременного режима работы электродвигателя последовательность выбора двигателя по мощности следующая:

По нагрузочной диаграмме механизма (нагрузки отнесены к валу механизма) определяется среднеквадратичное

(3)

где m — число рабочих участков в цикле;- мощность на i -м интервале;рi — продолжительность i-го интервала;

βi — коэффициент ухудшения теплоотдачи на i-м интервале, соответствующий значению угловой скорости ωiна этом интервале;

ωmax — максимальная скорость производственного механизма.

При найденных угловых скоростях ω1, ω2 и заданном моменте Mi производственного механизма определяем мощность при работе на каждой технологической скорости:

, кВт; (4)

кВт

кВт

Приближенно зависимость коэффициента ухудшения теплоотдачи от угловой скорости можно считать линейной:

(5)

где β0 — коэффициент ухудшения теплоотдачи при неподвижном якоре равный 0,5.

Для каждой из технологических скоростей:

Среднеквадратичное

Найдем расчетную продолжительность включения:

(6)

где tр — продолжительность i-го интервала времени работы в цикле;- число рабочих интервалов в цикле;пj — продолжительность j-го интервала времени паузы в цикле;- число пауз в цикле.

В данном случае n = 1, тогда:

(7)

где ПВ — ближайшая к расчетной каталожная продолжительность включения.Каталожная продолжительность включения выбирается из ряда номинальных значений: 15%, 25%, 40%, 60%, 100%.

Проводим расчеты для ПВк1= 40% и ПВк2 = 60%.

Каталожные мощности:

Определяем расчетную мощность двигателя:

(8)

где kз- коэффициент запаса (принимаем kз = 1,1);

ƞп — коэффициент полезного действия передачи (0,97).

По каталогу выбираем несколько электродвигателей ближайшей большей мощности с различными номинальными частотами вращения:

Таблица 1

ТипПВ, %UнPн, кВтnн,об/минIн, АRя+Rдп при +15°С, ОмJдм, кг·м2МП-5125220236001200,08452,35ДП-41402202311201200,01250,8

.3Определение оптимального, по условию минимизации, времени пуска передаточного отношения редуктора

Для каждого двигателя вычислим расчетное передаточное отношение (число) редуктора:

(9)

где ωнд — номинальная скорость двигателя;

ωmax м- максимальная скорость производственного механизма.

Номинальные скорости двигателя:

Для каждого из выбранных двигателей вычислим расчетное передаточное отношение (число) редуктора:

промышленность выпускает одно-, двух- и трехступенчатые редукторы с передаточным числом из стандартного ряда: 1,0; 1,12; 1,25; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,24; 2,5; 2,8; 3,15; 3,55; 4,0; 4,5; 5,0; 5,6; 6,3; 7,1; 8,0; 9,0.

Необходимое стандартное передаточное отношение редуктора можно найти следующим образом:

(10)

где iст i- стандартное передаточное число редуктора;

х — целое число.

стандартное передаточное отношение редуктора выбирается ближайшее меньшее к расчетному, поэтому стандартные передаточные отношения редукторов составят:

iст р1= 5,6;

iст р2= 9,0.

Для каждого двигателя найдем оптимальное по условию минимизации времени пуска передаточное отношение редуктора:

(11)

где Jм — момент инерции производственного механизма;дв — момент инерции ротора двигателя;- коэффициент, учитывающий момент инерции редуктора. Принимаем k=1,1:

Для каждого двигателя найдем отношение стандартного передаточного отношения редуктора к оптимальному передаточному отношению:

Двигатель с Θi , наиболее приближенной к единице, принимается в качестве приводного. Исходя из полученных данных, для дальнейших расчетов выбираем двигательДП-41, ПВ=40%.

Глава 2. Расчет характеристик работы двигателя

.1 Расчет механических и электромеханических характеристик для двигательного и тормозного режимов

Для построения электромеханической характеристики двигателя независимого возбуждения, естественной или реостатной, достаточно знать лишь две ее точки, поскольку все электромеханические характеристики теоретически представляют собой прямые линии. Эти две точки для каждой характеристики могут быть любыми, однако построение каждой из рабочих электромеханических характеристик удобно производить по точкам, одна из которых соответствует статическому току двигателя и технологической скорости (I=Iст и ω=ωст1), другая — скорости идеального холостого хода при токе якоря, равном нулю (I=0 и ω=ω0).

Рассчитаем сопротивление якорной цепи электродвигателя в нагретом состояний (при температуре двигателя, равной 75°С):

где τ — перегрев обмоток двигателя относительно начальной температуры в 15°С

Определим номинальную скорость двигателя:

Найдем коэффициент ЭДС и электромагнитного момента (конструктивная постоянная двигателя) в номинальном режиме работы:

(12)

где ω — номинальная угловая скорость двигателя, рад/сек;н — номинальное напряжение обмотки якоря, В;н — номинальный ток обмотки якоря, А.

Рассчитаем номинальный электромагнитный момент двигателя и номинальный механический момент, развиваемый двигателем на валу:

Вычислим момент потерь двигателя в номинальном режиме:

Примем допущение, что момент потерь двигателя остается постоянным во всем рабочем диапазоне частот вращения двигателя.

Для определения статического тока необходимо рассчитать статический момент механизма, приведенный к валу двигателя. При активном характере нагрузки в двигательном режиме (I квадрант) момент статический определяется по выражению:

(13)

где Mмех — момент механизма, Н·м;пот — момент потерь, Н·м;ст.р- стандартное передаточное число редуктора;

ηп — КПД передачи при максимальной частоте вращения.

В генераторном режиме работы (рекуперация, противовключение, IV квадрант), момент статический определяется согласно выражению:

(14)

Вычислим статические моменты для первой и второй рабочей точек:

Определим статический ток якоря двигателя, соответствующий нагрузке на первой ступени в двигательном режиме:

Определим статический ток якоря двигателя, соответствующий нагрузке на второй рабочей ступени в генераторном режиме:

Найдем скорость идеального холостого хода:

Определим технологические скорости вращения двигателя:

.2 Расчет и выбор пусковых, тормозных и регулировочных сопротивлений

Для двигателей постоянного тока пуск, реверс, торможение, а также регулирование скорости должно осуществляться при наложенных на ток и момент ограничениях. В электроприводах постоянного тока с релейно-контакторной схемой управления ток якоря ограничивают введением на время пуска в цепь обмотки якоря двигателя добавочных сопротивлений.

максимальный ток якоря двигателяIдв.maxследует ограничить из условия удовлетворительной коммутации на коллекторе на уровне

(15)

где λI — коэффициент допустимой перегрузки двигателя по току.Обычно принимают λI = 2,2.

Найдем максимально допустимый ток якоря выбранного двигателя:

Построим график электромеханических характеристик электродвигателя:

Рис. 2.1 — Электромеханические характеристики электродвигателя:

— естественная электромеханическая характеристика;

— первая технологическая электромеханическая характеристика;

— первая пусковая электромеханическая характеристика электропривода;

— вторая пусковая электромеханическая характеристика электропривода

Замыкание второго пускового сопротивления Rд2 также необходимо производить при токе переключения Iпер.

необходимо обратить внимание, чтобы на заключительном этапе разгона двигателя при переходе с последней пусковой характеристики на первую рабочую характеристику, бросок тока не превышал допустимый ток двигателя Iдвmax.Если это требование не выполняется, то ток переключения Iпернеобходимо поменять, несколько увеличив или уменьшив его.

Из уравнения электромеханической характеристики по заданным ωpi, Ii и известным Iдв.гор, Cн, Uн найдем добавочные сопротивления Ri для каждой из технологических характеристик:

(16)

где ωpi — угловая скорость двигателя на i-ой характеристике;сi — статический ток двигателя на i-ой характеристике.

Из уравнения электромеханической характеристики по известным Rдв.гор, cн,Uн и ω=0 найдем пусковое сопротивление Rп3 для первой пусковой характеристики 3, рис. 2.1, а также угловую скорость ωпер1, по достижении которой необходимо осуществить переход на вторую пусковую характеристику:

далее, по известным Rдв.гор, cн,Uн и ωпер1 найдем пусковое сопротивление Rп4 для второй пусковой характеристики 4, рис. 2.1, а также угловую скорость ωпер2, по достижении которой необходимо осуществить переход на другую характеристику:

добавочное сопротивление для третьей пусковой характеристики определяется по следующему выражению:

Очевидно, что при правильно подобранном токе переключения Iпер, номинал добавочного сопротивления для третьей пусковой характеристики Rп5 совпадает с номиналом добавочного сопротивления для работы на первой рабочей ступени R1. поэтому дальнейший разгон двигателя будем осуществлять по электромеханической характеристике 1, рис. 2.1 первой рабочей ступени, то есть с введением в цепь якоря сопротивления Rп5=R1=0,4 Ом.

таким образом, добавочные сопротивления для технологических и пусковых характеристик найдены.

Переход с первой рабочей точки во вторую рабочую точку будем осуществлять с помощью динамического торможения двигателя. Динамическое торможение осуществляется путем отключения якорной цепи двигателя от питающей сети и подключения к ней нагрузочного сопротивления. Схема динамического торможения двигателя постоянного тока независимого возбуждения приведена на рис 2.2.

Рис. 2.2 — Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения в режиме динамического торможения

Уравнение электромеханической характеристики электропривода в режиме динамического торможения:

(17)

где Rяц.дт=Rдв.гор+Rдт — сопротивление якорной цепи двигателя в режиме динамического торможения;

Rдт — сопротивление динамического торможения.

Так как динамическое торможение должно происходить при наложенных на момент и ток двигателя ограничениях(I≤Iдв.max), а торможение производится с технологической скорости ωp1=94,2 рад/сек,то выражение для расчета сопротивления динамического торможения приобретает следующий вид:

Как следует из расчетов, сопротивление динамического торможенияRдт=1,62 Ом.

после работы на второй рабочей ступени, необходимо затормозить электропривод. Применим торможение противовключением (характеристика 6) с последующим наложением механического тормоза при достижении угловой скорости, равной нулю. Рассчитаем добавочное сопротивление в якорной цепи для организации торможения противовключением:

При достижении нулевой скорости ω = 0 ток в якорной цепи составит:

Результаты проведенных расчетов сведем в табл. 2.

Таблица 2

первая пусковая электромеханическая характеристика,Rп3=0,8145 ОмI, А0Iпер=184,4Iдв.max=264ω, рад/сек118,2835,820вторая пусковая электромеханическая характеристика,Rп4=0,581 ОмI, А0Iпер=184,4Iдв.max=264ω, рад/сек118,2859,1435,82первая технологическая электромеханическая характеристика,R1=0,4 ОмI, А0Ic1=106,89Iдв.max=264ω, рад/сек118,2894,259,14Динамическое торможение, характеристика,Rдт=1,62 ОмI, А0Ic2=72,4-Iдв.max=-264ω, рад/сек0-32,9794,2вторая технологическая электромеханическая характеристика,R2=3,87 ОмI, А0Ic2=72,4-ω, рад/сек118,28-32,97-торможение противовключением, характеристика,Rпрот=1,05 ОмI, А0Iкон=206,48Iдв.max=264ω, рад/сек118,280-32,97

По данным таблицы 2 построим электромеханические характеристики электропривода за полный рабочий цикл, приведенные на рис. 2.3.

Рис. 2.3 — Электромеханические характеристики электропривода за полный рабочий цикл:

— естественная электромеханическая характеристика;

— первая технологическая электромеханическая характеристика;

— вторая технологическая электромеханическая характеристика;

— первая пусковая характеристика электропривода;

— вторая пусковая характеристика электропривода;

— электромеханическая характеристика динамического торможения для перехода во вторую рабочую точку;

6 — электромеханическая характеристика торможения противовключением.

Схема силовой цепи для пуска двигателя постоянного тока приведена на рис. 2.4.

Определим сопротивления резисторов Rдоб1 , Rдоб2, Rдоб3, Rдоб4, Rдоб5 и Rдоб6 непосредственно включаемых в якорную цепь двигателя.Очевидно, они будут отличаться от сопротивлений якорной цепи двигателя Rп3, Rп4, R1, R2 и Rпрот, используемых для расчета электромеханических характеристик электропривода, т.к. физические резисторы, используемые для построения схемы электропривода, набираются из отдельных резисторов.

Так, для работы на второй электромеханической характеристике 2, рис. 2.3 с технологической скоростью ωp2 в цепь якоря двигателя должно быть введено максимальное сопротивление R2 = 3,87 Ом, полученное путем сложения сопротивлений всех резисторов, включенных последовательно в якорную цепь двигателя:

При пуске, на первых двух пусковых характеристиках, а затем на первой рабочей характеристике необходимо иметь в якорной цепи следующие сопротивления:

Из приведенных соотношений можно определить:

Для режима динамического торможения (характеристика 5, рис. 2.3) нам требуется сопротивлениеRдт=1,62 Ом. очевидно, что оно может быть получено путем добавления Rдоб3 к цепочке резисторов Rп4:

Теперь можно определить величину сопротивления Rдоб4:

Аналогично определяем величины сопротивлений Rдоб5 и Rдоб6:

таким образом, все сопротивления резисторов якорной цепи для организации полного рабочего цикла электропривода найдены.

принципиальная схема силовых цепей электропривода для полного цикла работы приведена на рис. 2.5. Рассмотрим по ней каждый режим работы электропривода.

Рис. 2.5 — Схема силовых цепей электропривода для полного цикла работы

При пуске двигателя по первой пусковой характеристике 3, рис. 2.3 замкнуты контакты пускателей КМ, КМ3 и КМ4, а остальные контакты разомкнуты. Далее, при переходе на вторую пусковую характеристику 4, рис. 2.3 дополнительно замыкается контакт КМ1, исключающий из цепи реостаты Rдоб3 и Rдоб4. При дальнейшем разгоне дополнительно к уже замкнутым контактам КМ, КМ3, КМ4, КМ1 замыкаются контакты пускателя КМ2 и двигатель переходит на разгон по первой рабочей характеристике 1, рис. 2.3 до скорости ωp1 и работает на ней отведенное время — 15 с.

После работы на первой рабочей ступени, необходимо по характеристике динамического торможения 5, рис. 2.3 перейти на вторую рабочую ступень. Это осуществляется путем размыкания контактов пускателя КМ1 и замыканием контактов пускателя КМ5. По завершении переходного процесса, схема переключается для работы на второй рабочей ступени.

При работе на второй технологической характеристике 2, рис. 2.3 со скоростью ωp2 в силовой якорной цепи (см. рис. 2.5) замкнут контакт пускателя КМ, а контакты КМ1, КМ2, КМ3, КМ4, КМ5 разомкнуты. после работы на второй технологической ступени в течение 18 с. электродвигатель необходимо затормозить.

В режиме торможения противовключением срабатывает контактор КМ6 и своими контактами изменяет полярность питающего напряжения якорной цепи. Наряду с контактами КМ6, должен быть замкнут контакт КМ4, а остальные контакты должны быть разомкнуты. особое внимание следует обратить на отключение контактов КМ, так как при их одновременном включении с контактами КМ6 произойдет короткое замыкание.

.3 Расчет переходных характеристик за цикл работы

Переходным, или динамическим, режимом электропривода называется режим работы при переходе из одного установившегося состояния привода к другому, происходящему во время пуска, торможения, реверсирования и резкого приложения нагрузки на валу. Эти режимы характеризуются изменениями ЭДС, угловой скорости, момента и тока. Переходные процессы тока и скорости электропривода постоянного тока независимого возбуждения при линейных статических характеристиках двигателя и производственного механизма можно рассчитать по формулам:

(18)

где Iнач — начальное значение тока двигателя, А;уст — установившееся ωуст — установившаяся угловая скорость двигателя при моменте нагрузки Mс = Муст, рад/сек;

ωнач — начальное значение угловой скорости, рад/сек;

Тм — электромеханическая постоянная времени электропривода, с.

Расчет электромеханических постоянных времени Тмi для каждой из реостатных характеристик осуществляется в соответствии с выражением:

(19)

где Rяц- суммарное сопротивление якорной цепи на соответствующей характеристике, Ом;н — коэффициент ЭДС, В×с/ рад;∑ — суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя, кг·м2;

(20)

где k = (1,05÷1,3) — коэффициент, учитывающий момент инерции редуктора;дв — момент инерции двигателя, кг·м2; Jдв = 0,8;м — момент инерции производственного механизма, кг·м2;Jм = 60;ст.р — стандартное передаточное отношение редуктора; iст.р =9.

Учитывая, что моменты инерции двигателя Jдв и производственного механизма Jм за цикл работы электропривода не изменяются,найдем суммарный момент электропривода, приняв значение коэффициента k = 1,1. Тогда

время tппi работы двигателя на i-ой характеристике, при изменении момента в пределах от Мнач до Мкон , определяется по формуле:

(21)

где Mнач и Mкон — значения моментов в начале и конце рассматриваемого переходного процесса;уст — установившийся момент двигателя.

Учитывая, что электромагнитный момент двигателя постоянного тока пропорционален току обмотки якоря, уравнение для расчета времени переходного процесса работы двигателя на произвольной характеристике можно преобразовать к виду:

(22)

где Iнач и Iкон — значения токов двигателя, взятые из графика электромеханической характеристики в начале и конце рассматриваемого переходного процесса;уст — установившийся ток якоря двигателя.

Первая пусковая характеристика (характеристика 3 на рис. 2.3, 2.10).

Сопротивление якорной цепи:

Электромеханическая постоянная времени:

Время переходного процесса пуска двигателя на первой пусковой характеристике:

(23)

где Iнач3 — максимально допустимый ток якоря двигателя, Iдв.max = 264 А;кон3- ток переключения, Iпер = 184,4 А;уст3 — установившееся

Уравнение для расчета переходного процесса тока якоря:

(24)

где Iнач3 — начальное двигателя, Iнач3 = Iдв.max = 264 А;уст3 — установившееся после подстановки численных значений параметров:

Уравнение для расчета переходного процесса скорости пуска по первой пусковой характеристике 3, рис. 2.3:

(25)

где ωнач3 — начальное значение угловой скорости;

ωнач3 = 0, рад/сек;

ωуст3 — установившаяся угловая скорость двигателя, определяется по первой пусковой характеристике при статическом токе двигателя,

После подстановки численных значений параметров:

Расчет переходных процессов произведем в программной среде MathCAD, а численные значения параметров снимем с помощью трассировщика.

Графики переходных процессов скорости ω = f(t) и тока I = f(t) пуска двигателя по первой пусковой характеристике 3 приведены на рис. 2.6.

Расчетные значения тока и скорости в переходных процессах на первой пусковой характеристике 3, рис. 2.6 сведем в табл. 3.

Таблица 3

t, c00,20,40,60,811,21,41,61,81,99I, А264253,24243,22233,89225,19217,09209,55202,52195,97189,87184,47ω, рад/сек01,6633,21224,65535,99967,25198,41849,50510,51711,4612,296

вторая пусковая характеристика (характеристика 4 на рис. 2.10).

Сопротивление якорной цепи:

Электромеханическая постоянная времени:

Время переходного процесса пуска двигателя на второй пусковой характеристике:

(26)

где Iнач4 — максимально допустимый ток якоря двигателя, Iдв.max = 264 А;кон4- ток переключения, Iпер = 184,4 А;уст4 — установившееся

Уравнение для расчета переходного процесса тока якоря:

(27)

где Iнач4 — начальное двигателя, Iнач4 = Iдв.max = 264 А;уст4 — установившееся после подстановки численных значений параметров:

Уравнение для расчета переходного процесса скорости при пуске по второй пусковой характеристике 4, рис. 2.10:

(28)

где ωнач4 — начальное значение угловой скорости;

ωуст4 — установившаяся угловая скорость двигателя.

Начальное значение угловой скорости ωнач4второй пусковой характеристики найдем при максимально допустимом токе двигателя Iдв.max = 264 А из выражения:

Установившуюся угловую скорость двигателя ωуст4 определим по второй пусковой характеристике 4, рис. 7.10 при статическом токе двигателяIуст4 = Ic1 = 106,89 А:

после подстановки численных значений параметров:

Графики переходных процессов скорости ω = f(t) и тока I = f(t) пуска двигателя по второй пусковой характеристике 4 приведены на рис. 2.7.

Рис. 2.7 — Графики переходных процессов скорости ω = f(t) и тока I = f(t) пуска двигателя по второй пусковой характеристике

Расчетные значения тока и скорости в переходных процессах по второй пусковой характеристике 4, рис. 2.10 сведем в табл. 4.

Таблица 4

t, c00,10,20,30,40,50,60,70,80,82I, А264256,79249,92243,36237,1231,13225,43219,99214,81213,8ω, рад/сек-57.08-52.29-47.73-43.37-39.21-35.25-31.46-27.85-24.4-23.73

первая технологическая характеристика (характеристика 1 на рис. 2.10)

Сопротивление якорной цепи:

Электромеханическая постоянная времени:

Время переходного процесса пуска двигателя на первую технологическую характеристику:

Уравнение для расчета переходного процесса тока якоря:

(29)

где Iнач1 — начальное двигателя, Iнач1 = Iдв.max = 264 А;уст1 — установившееся после подстановки численных значений параметров:

Уравнение для расчета переходного процесса скорости пуска по первой технологической характеристике:

(30)

где ωнач1 — начальное значение угловой скорости;

ωуст1 — установившаяся угловая скорость двигателя;

ωуст1 =ωр1 = 94,2 рад/сек.

начальное значение угловой скорости ωнач1 первой технологической характеристики найдем при максимально допустимом токе двигателя Iдв.max = 264 А из выражения:

После подстановки численных значений параметров:

Графики переходных процессов скорости ω = f(t) и тока I = f(t) пуска двигателя дляпервой технологической характеристики1 приведены на рис. 2.8.

Рис. 2.8 — Графики переходных процессов скорости ω = f(t) и тока I = f(t) разгона двигателя по первой технологической характеристике

Расчетные значения тока и скорости в переходных режимах характеристики 1, рис. 2.10 сведем в табл. 5.

Таблица 5

t, c0123455,46I, А264197.58159.24137.11124.34116.96114.71ω, рад/сек-31.3921.70152.34970.04180.25486.14987.947

время работы на первой технологической характеристикеtp1 = 15 сек.

характеристика динамического торможения при переходе на вторую технологическую характеристику (характеристика 5 на рис. 2.10)

Вычислим сопротивление якорной цепи для режима динамического торможения двигателя:

Электромеханическая постоянная времени:

Необходимо обратить внимание, что для расчета времени переходного процесса динамического торможения двигателя при переходе на вторую технологическую характеристику, требуется разбить характеристику 5 рис. 2.3на два участка — первый участок5_1 для ω ≥ 0и второй участок5_2 для ω ≤ 0на рис. 2.10.

Вычислим время переходного процесса на участке 5_1 электромеханической характеристики 5, рис. 2.10:

(31)

где Iнач5_1 — максимально допустимый ток якоря двигателя,нач5_1 = -Iдв.max = -264 А;кон5_1= 0- конечное Уравнение для расчета переходного процесса тока якоря на участке 5_1 электромеханической характеристики 5, рис. 2.10:

(32)

где Iнач5_1 — начальное значение тока якоря, равное допустимому току двигателя, Iнач5_1 = -Iдв.max = -264 А;уст5_1 — установившееся после подстановки численных значений параметров:

Уравнение для расчета переходного процесса скорости электродвигателя на участке 5_1 электромеханической характеристики 5, рис. 2.10:

(33)

где ωнач5_1 — начальное значение угловой скорости;

ωнач5_1 =ωр1 = 94,2 рад/сек.;

ωуст5_1 — установившаяся угловая скорость двигателя,

После подстановки численных значений параметров:

Графики переходных процессов скорости ω = f(t) и тока I = f(t)для участка 5_1, рис. 2.10 приведены на рис. 2.9.

Рис. 2.9 — Графики переходных процессов скорости ω = f(t) и тока I = f(t) участка 5_1 характеристики 5 режима динамического торможения двигателя при переходе на вторую технологическую характеристику 2

Расчетные значения тока и скорости режима динамического торможения двигателя для первого участка характеристики 5 сведем в табл.

Таблица 6

t, c00,40,81,21,622,42,83,23,51I, А-264-215-172.4-135.5-103.4-75.6-51.47-30.52-12.350.062ω, рад/сек94.269.31347.71728.97812.716-1.395-13.64-24.27-33.49-39.79

далее вычислим время переходного процесса на участке 5_2 электромеханической характеристики 5, рис. 2.10:

Найдем суммарное время переходного процесса перехода двигателя с первой рабочей точки на вторую рабочую точку по характеристике 5:

Уравнение для расчета переходного процесса тока якоря на участке 5_2 электромеханической характеристики 5, рис. 2.10:

(34)

где Iнач5_2 = 0 — начальное значение тока якоря;уст5_2 — установившееся после подстановки численных значений параметров:

Рис. 2.10 — Электромеханические характеристики электропривода за полный рабочий цикл с обозначением некоторых установившихся скоростей вращения якоря:

— естественная электромеханическая характеристика;

— первая технологическая электромеханическая характеристика;

— вторая технологическая электромеханическая характеристика;

— первая пусковая характеристика электропривода;

— вторая пусковая характеристика электропривода;

_1 — первый участок электромеханической характеристики 5 динамического торможения;

_2 — второй участок электромеханической характеристики 5 динамического торможения для перехода во вторую рабочую точку;

— электромеханическая характеристика торможения противовключением.

Уравнение для расчета переходного процесса скорости электродвигателя на участке 5_2 электромеханической характеристики 5:

(35)

где ωнач5_2 = 0- начальное значение угловой скорости;

ωуст5_2 — установившаяся угловая скорость двигателя при токе Iс2,

ωуст5_2 = ωр2 = -32,97 рад/сек.

после подстановки численных значений параметров:

Графики переходных процессов скорости ω = f(t) и тока I = f(t)для участка 5_2, рис. 2.10 приведены на рис. 2.11.

Рис. 2.11 — Графики переходных процессов скорости ω = f(t) и тока I = f(t) участка 5_2 характеристики 5 режима динамического торможения двигателя при переходе на вторую технологическую характеристику 2

Расчетные значения тока и скорости режима динамического торможения двигателя для второго участка характеристики 5, рис. 2.10 сведем в табл. 7.

Таблица 7

t, c0123456788,46I, А021.61536.77747.41254.87360.10563.77666.35168.15768.795ω, рад/сек0-9.843-16.75-21.59-24.99-27.37-29.04-30.22-31.04-31.33

время работы на второй технологической характеристикеtp2 = 18 сек.

характеристика торможения противовключением (характеристика 6 на рис. 2.10)

торможение начинается с угловой скорости ωнач = ωp2 — угловой скорости двигателя во второй рабочей точке. Под установившейся скоростью принимается фиктивная скорость ωуст6 , определяемая пересечением электромеханической характеристики режима торможения противовключением и статического тока Iс2 . При достижении скорости, равной нулю, необходимо остановить электропривод путем отключения двигателя от сети и наложением электромеханического тормоза. начальным значением тока режима динамического торможения являетсядопустимый ток двигателя Iдв.max. Установившимся значением тока является статический ток Iс2.

Сопротивление якорной цепи режима торможения противовключением:

Электромеханическая постоянная времени:

Уравнение для расчета переходного процесса торможения противовключением (характеристика 6, рис. 2.10) для тока якоря:

(36)

где Iнач6 — начальное значение тока якоря, равное допустимому току двигателя, Iнач6 = Iдв.max = 264 А;уст6 — установившееся после подстановки численных значений параметров:

При достижении нулевой скорости ω = 0 ток в якорной цепи составит:

Время торможения до полной остановки, когда ω = 0 , может быть определено из уравнения:

(37)

где Iнач6 — максимально допустимый ток якоря двигателя,нач6 = Iдв.max = 264 А;кон6- ток в якорной цепи при ω = 0, Iкон6 = 206,48уст6 — установившееся

Уравнение для расчета переходного процесса скорости режима торможения противовключением (характеристика 6, рис. 2.10):

(38)

ωуст6 = ωр2 = -32,97 рад/сек;

ωуст6 — установившаяся угловая скорость двигателя; определяется по характеристике торможения противовключением при статическом токе двигателя Iс2:

После подстановки численных значений параметров:

Графики переходных процессов скорости ω = f(t) и тока I = f(t)торможения двигателя противовключением характеристики 6 приведены на рис. 2.12.

Рис. 2.12 — Графики переходных процессов скорости ω = f(t) и тока I = f(t) режима торможения двигателя противовключением (характеристика 6)

Расчетные значения тока и скорости в процессе торможения двигателя противовключением (характеристика 6, рис. 2.10) сведем в табл. 8.

Таблица 8

t, c00,20,40,60,811,21,41,61,81,83I, А264244.16226.38210.44196.15183.34171.85161.56152.33144.05142.89ω, рад/сек-33-21.61-11.42-2.2825.90713.2519.8325.7331.0235.7636.424Графики переходных процессов скорости ω = f(t) и тока I = f(t) для полного цикла работы электропривода приведены на рисунках 2.13 и 2.14 соответственно.

Рис. 2.13 — График переходных процессов скорости ω = f(t) для полного цикла работы электропривода

Рис. 2.14 — График переходных процессов тока I = f(t) для полного цикла работы электропривода

Глава 3. Схема управления электродвигателем и его проверка по нагреву и перегрузке

.1 Проверка двигателя по нагреву и перегрузке

Потери энергии в двигателе вызывают нагрев его отдельных частей. Допустимый нагрев двигателя определяется нагревостойкостью применяемых изоляционных материалов. Чем больше нагревостойкость, тем при той же мощности меньше размеры двигателя или при тех же размерах можно увеличить его мощность.

Проверка двигателя постоянного тока по нагреву производится на основе рассчитанных графиков переходных процессов тока для полного цикла работы электропривода и его режима работы. Обычно применяются методы эквивалентного (среднеквадратичного) тока.

В общем виде эквивалентный ток двигателя за рабочий цикл можно вычислить по следующему уравнению:

(39)

где Iэ — искомое значение эквивалентной величины тока, А;

∑tр- суммарное время работы за цикл, с;

∑tпп- суммарное время переходных процессов за цикл, с;i — время работы на i-ом участке, с;

βi — коэффициент ухудшения теплоотдачи на i-ом участке.

Определив по таблицам 3 — 8 эквивалентный ток двигателя для каждого переходного режима двигателя, а также используя вычисленные величины тока в рабочих точках Ic1, Ic2, вычислим выражение:

далее вычислим величину коэффициента, учитывающего ухудшение теплоотдачи двигателя в переходных режимах:

Суммарное время переходных процессов за рабочий цикл составит:

Использую вычисленные значения, найдем эквивалентный ток двигателя за цикл работы:

При повторно-кратковременном режиме работы эквивалентные величины пересчитываются на каталожные значения продолжительности включения и длительности работы.

Определим относительную продолжительность включения с учетом переходных режимов двигателя:

(40)

При подстановке численных значений параметров получим:

Пересчитаем эквивалентное значение тока на стандартное значение:

Пересчитанная величина тока Iк сопоставляется с номинальной величиной тока Iн выбранного двигателя. При этом должно выполняться условие:к ≤Iн,

где Iк — пересчитанная на каталожную эквивалентная величина тока, А;н — номинальное значение тока, Iн = 120 А;

,99 ≤ 120 А

Условие проверки двигателя на нагрев выполняется, следовательно электродвигатель выбран правильно.

На перегрузочную способность двигатель постоянного тока независимого возбуждения можно не проверять, т.к. условия перегрузки учитывались при построении пусковых электромеханических характеристик.

.2 Схема управления электроприводом

Схема силовой якорной цепи электропривода приведена на рис. 3.1. Схема подключается к напряжению постоянного тока U через автоматические выключатели QF1 и предохранители FU1. Она включает в себя обмотку якоря двигателя M, резисторы Rдоб1 -Rдоб6 , которые в разные моменты времени задействованы как пусковые, регулировочные и тормозные. Силовые контакты схемыKM6.2 и KM6.3 обеспечивают торможение противовключением на завершающем этапе рабочего цикла при разомкнутых контактахKM0.4 иKM0.5. В силовую якорную цепь включена обмотка реле максимального тока KA1.

Рис. 3.1 — Схема силовой якорной цепи электропривода

Релейно-контакторная схема управления электроприводом приведена на рис. 3.2. Электропривод работает следующим образом. Перед пуском электропривода включают автоматыQF1 и QF2. На схему силовых цепей и схему управления подается напряжение U. В схемеуправления электроприводом запитывается обмотка возбуждения электродвигателя LM, срабатывает реле обрыва поля KA2, замыкая свои контакты KA2.1 и KA2.2 в цепях контакторов KM0 и KM6. Через размыкающие контакты KM0.1, КM1.1, KM2.1, KM5.3 и KM6.4запитываются реле времени KT1, KT2 и KT3. Реле времени KT1, KT2, включившись, размыкают свои контакты KT1 и KT2 в цепях схемы управления. Реле времени KT3 при включении замыкает свои контакты KT3.1, KT3.2, KT3.4, KT3.5 и размыкает контакт KT3.3. Через замкнутый контакт KT3.4 получает питание реле времени KT4 и, в свою очередь, замыкает контакты KT4.1 -KT4.4, запитывая реле времени KT5 и контакторы KM3, KM4, а также размыкает контакт KT4.5. Контакторы KM3 и KM4, своими контактами шунтируют добавочные сопротивления Rдоб5 и Rдоб6. Реле времени KT5, включившись, размыкает свои замыкающие контакты KT5.1, KT5.2 и KT5.4, а также замыкает размыкающие контакты KT5.3 и KT5.5. Через контакт KT5.3 получает питание реле времени KT6 и замыкает контакты KT6.1, KT6.2. Реле времени KT7 не подключено, поэтому его контакт в цепи питания схемы управления замкнут. Схема подготовлена к включению.

пуск двигателя осуществляется нажатием кнопки SB1: если реле максимального тока KA1 находится в выключенном состоянии, а реле обрыва поля KA2 включено, то срабатывает контактор KM0, подключая обмотку якоря M двигателя к сети напряжения постоянного тока U, и двигатель начинает разгоняться по первой пусковой характеристике 3, рис. 2.10 с введенными сопротивлениями Rдоб1 -Rдоб4, рис. 3.1. Контакт KM0.2 осуществляет самоблокировку контактора KM0, контакт KM0.3запитывает обмотку электромагнитного растормаживателяLB, а контакт KM0.1 размыкается и снимает питание с реле времени KT1. Реле времени KT1, потеряв питание, начинает отсчет выдержки времени разгона по первой пусковой характеристике до скорости ωпер1. По истечении времени выдержки размыкающий контакт KT1 замкнется и включится контактор KM1. Контактор KM1, включившись, закорачивает контактом KM1.2 резисторы Rдоб3 и Rдоб4, рис. 3.1, а также одновременно контактом KM1.1 отключает катушку реле времени KT2 и оно начинает отсчитывать время разгона по второй пусковой характеристике 4, рис. 2.10 до скорости ωпер2. По истечении времени выдержки размыкающий контакт KT2 замкнется и включится контактор KM2. Контактор KM2, включившись, закорачивает контактом KM2.2 резистор Rдоб2, рис. 3.1, а контактом KM2.1 отключает реле времени KT3 и оно начинает отсчитывать время разгона до первой рабочейскорости ωp1 плюс время работы в первой рабочей точке- 15 с. после работы на первой технологической характеристике 1, рис. 2.10 реле времени KT3 размыкает свои контакты KT3.1, KT3.2, KT3.4, KT3.5 и тем самым отключает контакторы KM0, KM1, KM2, реле времени KT4, а контактом KT3.3запитывает контактор KM5. Двигатель переходит в режим динамического торможения (характеристика 5, рис. 2.10) для перехода во вторую рабочую точку. В якорную цепь двигателя включены сопротивления Rдоб1 — Rдоб3, рис. 3.1, которые и формируют сопротивление динамического торможения. По истечении времени задержки размыкаются контакты KT4.1 -KT4.4 и отключают контакторы KM5, KM3, KM4 и реле времени KT5.

Рис. 3.2 — Схема управления электроприводом

одновременно контакт KT4.5 реле времени KT4 замыкается и включает контактор KM0, после чего двигатель начинает работу во второй рабочей точке со скоростью ωp2. Через 18 с. реле времени KT5 размыкает контакты KT5.3 и KT5.5, тем самым включает отсчет реле времени KT6 и отключает контактор KM0. Одновременно путем замыкания контактов KT5.1, KT5.2 и KT5.4 включаются контакторы KM4, KM6, а также реле времени KT7 и двигатель переходит в режим торможения противовключением (характеристика 6, рис. 2.10). По истечении времени торможения противовключением размыкающий контакт KT6.1 разомкнется и отключит контактор KM6, который силовыми контактами KM6.1 -KM6.3 обесточит якорную цепь двигателя, а также электромагнитный растормаживательLB. Механизм остановлен.

одновременно с этим, размыкающий контакт KT6.2 отключает питание реле времени KT7, оно разрывает свой контакт, снимая питание со всей схемы управления и начинает отсчет времени паузы. Повторное включение двигателя должно произойти через интервал времени паузы — 45 с. Контакт KT7 замыкается, напряжение U вновь поступает на схему управления, производится подготовка к включению, описанная выше, и схема опять готова к выполнению нового технологического цикла, запуск которого начнется либо по нажатию кнопки SB1, либо замыканием контакта какого-либо внешнего устройства, подключенного параллельно контакту кнопки SB1.

Следует отметить, что приведенная схема является лишь одним вариантом реализации системы управления. возможно добавление дополнительных защит и блокировок, а также применение принципа управления не по времени, а по скорости.

Также возможны менее трудоемкие варианты построения схемы управления рассмотренным технологическим циклом на базе регулируемых командоаппаратов, например КА4000, КА4600 или на базе программируемых многоканальных реле, например ПР110.

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы были рассмотрены вопросы выбора двигателя по мощности, построена диаграмма производственного механизма, а так же диаграмма скорости и нагрузочная диаграмма производственного механизма. Произведены расчеты электродвигателя и выбор его по каталогу, пусковых и регулировочных резисторов электропривода, параметров и характеристик режима динамического торможения асинхронного двигателя, переходных процессов скорости, момента и тока за цикл работы электропривода. Построены естественные механические и электромеханические характеристики электродвигателя, схема управления электроприводом, а так же проведена проверка двигателя по нагреву и перегрузке.

Список литературы

1. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: учебник для вузов. — М.: Энергоиздат, 2001. — 576 с.

. Москаленко В.В. автоматизированный электропривод: учебник для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 2006. — 416 с.

. Приводы машин: справочник / В.В. Длоугий, Т.И. Муха, А.П. Цупиков, Б.В. Януш; под общ.ред. В.В. Длоугого. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние, 2002. — 383 с.

. Справочник по электрическим машинам: в 2 т.; под общ.ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 688 с.: ил.

. Вешеневский С.Н. характеристики двигателей в электроприводе. — М.: Энергия, 2007. — 432 с.

. Башарин А.В., Голубев Ф.Н., Кепперман В.Г. Примеры расчетов автоматизированного электропривода. — Л., Энергия, 2001. — 440 с.

. Асинхронные двигатели серии 4А. Справочник / А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболевская. — М.: Энергоатомиздат, 2002. — 380 с.

. Мощинский Ю.А., Беспалов В.Я., Кирякин А.А. Определение параметров схемы замещения асинхронной машины по каталожным данным // Электричество. — 2008. — № 4. — С. 39-42.

Учебная работа. Разработка электропривода производственного механизма

Учебная работа. Разработка электропривода погружного центробежного насоса ЭЦВ 16-375-350

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Разработка электропривода погружного центробежного насоса ЭЦВ 16-375-350

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ российской ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО профессионального ОБРАЗОВАНИЯ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ университет»

ИНСТИТУТ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА

КАФЕДРА «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА»

Курсовая работа на тему:

«Разработка электропривода погружного центробежного насоса ЭЦВ 16-375-350″

Выполнил: студент группы ЭАб-11-1

Исмагилов Д.Р.

Проверил: Сидоров С.В.

Тюмень, 2014

Содержание

Введение

1. Описание технологической установки

2. Выбор типа электропривода и электродвигателя

3. предварительный выбор мощности и характеристик двигателя

4. Механические характеристики двигателя и производственного механизма

5. Управление электроприводом

6. Технико-экономическое сравнение вариантов подключения преобразователей частоты

6.1 Низковольтный преобразователь частоты на IGBT-транзисторах

6.2 Высоковольтный преобразователь частоты на IGBT-транзисторах

6.3 Обоснование выбора преобразователя

7. Математическая модель электропривода

8. проблема «длинного кабеля» в электроприводах с IGBT (инверторами)

список использованной литературы

Введение

Целью данного курсового проекта является разработка электропривода погружного центробежного насоса ЭЦВ 12-210-175 для искусственного воздействия на пласт путем закачки воды:

) обеспечение подачи насосов в соответствии с проектируемой, а также возможность регулирования объёма добычи воды в требуемом диапазоне;

) обеспечение плавного пуска насоса;

1. Описание технологической установки

В процессе эксплуатации нефтяных месторождений при поддержании пластового давления путем закачки воды в продуктивные пласты, используют установки погружных центробежных электронасосов.

Погружные центробежные электронасосы типа ЭЦВ предназначены для перекачивания воды со следующими характеристиками:

Температура,°С (не более) 25

Водородный показатель, рН 6,5-9,5

Общая минерализация (сухой остаток), мг/л (не более) 1500 Массовая доля твердых механических примесей, % (не более), 0,01

Содержание хлоридов, мг/л (не более) 350

Содержание сульфатов, мг/л (не более) 500

Содержание сероводорода, мг/л (не более) 1,5

Для перекачивания воды насосные агрегаты изготавливают в следующих исполнениях:- для химически активной воды,

Тр — для повышенной температуры,

Г — для повышенного содержания механических примесей.

Установка электронасосного агрегата состоит из центробежного электронасоса типа ЭЦВ и электродвигателя типа ПЭДВ, токоподводящего кабеля, водоподъемного трубопровода, оборудования устья скважины и системы автоматического управления. Насосные агрегаты выпускают с различными поперечными размерами для установки в скважины с внутренним диаметром обсадных труб 100, 122, 150, 200, 250, 301, 353, 402 и 486 мм.

электропривод погружной центробежный насос

рисунок 1.1 Электроподсосный агрегат.

-муфта для соединения насоса с подъемными трубами; 2-специальный компенсатор; 3 — обратный клапан; 4 — направляющий аппарат; 5-рабочее колесо; 6 — радиальный подшипник; 7 — сетка на всасывании насоса; 8 — уплотнение вала. 9 — специальная пята; 10 — соединительная муфта.

Рисунок 1.2 Электродвигатель типа ПЭДВ

— вал; 2 — пескоотражатель; 3 — манжетный сальник; 4 — уплотнение выводных концов; 5 — выводные концы; 6 — корпус подшипника; 7 — отверстие; 8 — подшипник; 9 — ротор; 10 — статор; 11 — пята; 12 — подпятник; 13 — шар; 14 — диафрагма; 15 — пробка.

рисунок 1.3 Общий вид насосной установки для поддержания пластового давления типа УЭЦП.

-электродвигатель; 2 — насос; 3 — пояс для крепления кабеля; 4 — колонна труб; 5-задвижка; 6 — напорный трубопровод; 7-предохранительный клапан; 8-кабельная линия, 9 — трансформатор; 10-станция управления; 11,13-манометр; 12-оборудования устья скважины.

Таблица 1.1 Технические данные центробежного скважинного насоса ЭЦВ 12-210-175.

Подача Q, м3/ час 210Напор H, м 175Частота вращения, об/мин3000 Масса, кг 700 Длина, мм3064КПД насоса0,7

Регулирование расхода и потребляемого напора в насосе можно с помощью изменения частоты вращения n вала насоса.

Рисунок 1.4 График регулирования параметров центробежного насоса ЭЦВ 12-210-175 изменением частоты вращения.

Из графика видно, что насос имеет очень хорошую характеристику Q-H и очень высокий кпд в широких подачах, поэтому регулирование подачи насоса изменением частоты вращения вала относительно рабочей точки (Qном) возможно как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Если рассматривается характеристика одного насоса при регулировании параметров изменением частоты вращения вала, в соответствии с законами подобия имеем:

где Qном, Hном, Nном — соответственно подача, напор и потребляемая мощность насоса при частоте вращения вала nном, Qi, Hi, Ni — соответственно подача, напор и потребляемая мощность насоса при частоте вращения вала ni.

2. Выбор типа электропривода и электродвигателя

При выборе электродвигателя, необходимо учесть такие факторы как род тока, номинальное напряжение, частота вращения, конструктивное исполнение и номинальную мощность. В производственных условиях не всегда приходится решать весь комплекс этих вопросов. Часто бывают заданы род тока, напряжение, частота вращения. основным условием, которое необходимо учесть, является правильное определение мощности и конструктивного типа электродвигателя [1].

Как уже отмечалось при описании технологии, в насосной установке для поддержания пластового давления типа УЭЦП используются электродвигатели типа ПЭДВ. Электродвигатели ПЭДВ — это погружные вертикальные трехфазные, асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. При этом с точки зрения необходимости двузонного регулирования целесообразно использовать частотное регулирование скорости вращения асинхронного двигателя. Регулятор частоты вращения может обеспечить плавный запуск установки, плавное регулирование, что необходимо для эффективной работы, а также форсировать работу насоса при снижении напора и подачи в результате его износа.

3. предварительный выбор мощности и характеристик двигателя

Согласно [6] мощность насоса равна:

(3.1)

где Q — подача насоса, м3/c;

Н — напор, м;

hн — КПД насоса.- коэффициент запаса, выбираем k = 1,1,hп — кпд передачи, при соединении валов двигателя и насоса муфтой hп=0,98.

Выбираем асинхронный двигатель типа ПЭДВ.

Таблица 2 — Технические данные двигателя ПЭДВ-160-320В5

РНОМ, кВт n0, об/минsном, %h, % сosjНОМ U, ВАМасса, кгДиаметр ротора, мм16030000,788,50,850,852,330001292801093

Скорость вращения двигателя совпадает с необходимой скоростью вращения насоса, следовательно, нет необходимости применения передачи.

Определим момент инерции из уравнения:

, (3.2)

где

ρ — приведенный радиус инерции,- масса вращающегося тела.

Примем ротор двигателя как тело с равномерно распределенной массой. Тогда:

4. Механические характеристики двигателя и производственного механизма

Совместная механическая характеристика электропривода

Номинальная скорость вращения:

ном=n0 (1-sном) =3000 (1-0,007) =2979 об/мин. (4.1)

номинальная частота вращения двигателя:

(4.2)

синхронная частота вращения двигателя:

(4.3)

критическое скольжение:

(4.4)

номинальный момент двигателя:

(4.5)

критический момент двигателя:

(4.6)

Зависимость частоты вращения от скольжения:

(4.7)

Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя:

(4.8)

Механическая характеристика центробежного насоса:

(4.9)

где (4.10)

(4.11)

, (4.12)

(4.13)

Уравнение совместной механической характеристики:

(4.14)

Изменяя s в пределах от 0 до 1 с шагом 0,01, строим в одной координатной плоскости механическую характеристику двигателя, механическую характеристику центробежного насоса и совмещённую механическую характеристику.

Таблица 4.1 Расчет механической характеристики двигателя, центробежного насоса и совмещённой механической характеристики.

S00,010,020,030,040,050,060,070,080,090,100, 200,300,400,500,600,700,800,901,00M0,000-689,772-1075,456-1179,766-1143,066-1057,278-962,747-874,072-795,379-726,921-667,684-357,339-241,372-181,870-145,809-121,650-104,345-91,344-81,220-73,115w314,16311,02307,88304,74301,59298,45295,31292,17289,03285,89282,74251,33219,91188,50157,08125,6694,2562,8331,420,00Mc-416,11-408,64-401,25-393,94-386,70-379,54-372,45-365,44-358,50-351,64-344,85-281,09-224,83-176,08-134,82-101,07-74,81-56,06-44,81-41,06Мд416,11-281,13-674, 20-785,82-756,36-677,74-590,30-508,63-436,88-375,28-322,84-76,25-16,54-5,79-10,99-20,58-29,53-35,28-36,41-32,05

рисунок 4.1 — Механическая характеристика двигателя

Рисунок 4.3 Механическая характеристика двигателя, центробежного насоса и совмещённая механическая характеристика

5. Управление электроприводом

Способ регулирования скорости вращения двигателя выбираем частотный, так как этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в необходимом диапазоне, а получаемые характеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ обладает к тому же и еще весьма одним важным свойством: регулирование скорости АД не сопровождается увеличением его скольжения, поэтому потери мощности при регулировании скорости небольшие.

Рисунок 5.1 — Обобщенная схема частотно регулируемого электропривода

Для лучшего использования АД и получения высоких энергетических показателей его работы — коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности — одновременно с частотой необходимо изменять и подводимое к двигателю напряжение. Закон изменения напряжения при этом зависит от характера момента нагрузки. Для центробежных насосов характерен «вентиляторный» закон

.

Распространенной системой частотно-регулируемого асинхронного привода является система со статическим преобразователем частоты с автономным инвертором. Наибольшее применение для промышленных приводов может иметь статический преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока (ПЗПТ). Структурная схема такого привода показана на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 — Структурная схема частотно-регулируемого привода

Преобразователь состоит из трех силовых элементов — выпрямителя (управляемого или неуправляемого), фильтра (Ф) и автономного инвертора (АИ). На вход выпрямителя (В) подается нерегулируемое напряжение переменного тока промышленной частоты (UП); на выходе выпрямителя постоянное пульсирующее напряжение с постоянными значениями Ud и Id (в случае неуправляемого выпрямителя) или изменяющимися (в случае управляемого). С выхода выпрямителя постоянное напряжение через сглаживающий фильтр (Ф) подается на вход инвертора (чаще АИН), который преобразует постоянное напряжение в переменное регулируемой амплитуды и частоты (U2=var, f2=var). В качестве сглаживающего фильтра в данной схеме обычно используется катушка индуктивности с сердечником. Кроме силовых элементов, преобразователь содержит систему управления (рисунок 5.3), состоящую из блока управления выпрямителя (БУВ) и блока управления инвертором (БУИ). Выходная частота регулируется в широких пределах и определяется частотой коммутации тиристоров инвертора, которая задается блоком управления инвертором. В такой схеме производится раздельное регулирование амплитуды и частоты выходного напряжения, что позволяет осуществить при помощи блока задания скорости (БЗС) требуемое соотношение между действующим значением напряжения и частотой на зажимах асинхронного двигателя.

Рисунок 5.3 — Система управления выпрямителем и инвертором

Промежуточное звено постоянного тока позволяет регулировать частоту как вверх, так и вниз от частоты питающей сети; он отличается высоким КПД (около 0,96), значительным быстродействием, малыми габаритами, сравнительно высокой надежностью и бесшумен в работе [3].

6. Технико-экономическое сравнение вариантов подключения преобразователей частоты

Возможны два варианта подключения преобразователей частоты:

использование низковольтных преобразователей частоты на IGBT-транзисторах по схеме: понижающий трансформатор — низковольтный преобразователь частоты — повышающий трансформатор — высоковольтный ЭД.

использование высоковольтных преобразователей частоты на IGBT — транзисторах;

наиболее экономичный вариант частотного преобразователя определим по наименьшим затратам.

6.1 Низковольтный преобразователь частоты на IGBT-транзисторах

Данная схема (рисунок 9.1) подключения обеспечивает возможность использования низковольтного преобразователя частоты с высоковольтным электродвигателем.

Трансформатор Т1 — понижает напряжение питания до 690В (380В) и обеспечивает гальваническую развязку преобразователя с питающей сетью.

Преобразователь частоты — осуществляет управление частотой вращения электродвигателя, его плавный запуск и останов, а также обеспечивает функции защиты.

Выходной дроссель улучшает синусоидальность выходного напряжения.

Трансформатор Т2 — повышает выходное напряжение преобразователя частоты до 3кВ и обеспечивает гальваническую развязку преобразователя частоты с электродвигателем.

рисунок. 6.1.1 — Блок-схема высоковольтного частотно-регулируемого электропривода с использованием трансформаторов и низковольтного преобразователя частоты.

Д — дроссель

М — электродвигатель

структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты представлена на рисунке 6.2 В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя.

Переменное напряжение питающей сети (uвх.) с постоянной амплитудой и частотой (Uвх = const, fвх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

С выхода фильтра постоянное напряжение ud поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).

Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

рисунок 6.1.2 — Типовая схема низковольтного преобразователя частоты.

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение uи изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя. Амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции. При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения uи может достигаться регулированием величины постоянного напряжения ud, а изменение частоты — режимом работы инвертора.

таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (Uвых = var, fвых = var).

Рассчитаем КПД частотного преобразователя, приведённого на рисунке 6.1:

потери мощности в низковольтном частотном преобразователе вычисляются по формуле:

,

где ΔPтр — потери мощности в трансформаторе;

ΔPв — потери мощности в вентилях;

ΔPф — потери мощности в фильтре (дросселе);

ΔPвсп =0,5÷3% ΔPd — потери мощности во вспомогательных устройствах;

Выбираем трансформатор по справочнику [9] ТМ-250/6.

Таблица 6.1.1 — Технические характеристики трансформатора ТМ-250/6.

Мощность, кВАСхема и группа соединенияТок х. х., % от номинального Напряжение к. з., %потери, ВтСтоимость включая НДС, рубК. з. Х. х. 250У/Ун-02,54,53900105060000Д/Ун-11

Найдём потери мощности в трансформаторе [10]

Потери активной мощности в трансформаторе:

потери мощности в вентилях в современных выпрямительных устройствах представляют собой очень малую величину, т.е. ΔPв≈0. Потери мощности в фильтре вычисляются по формуле: где Rдр≈0 — активное сопротивление дросселя, следовательно, потерями мощности в фильтре можно также пренебречь. таким образом, КПД частотного преобразователя будет равен:

Коэффициент мощности χ можно подсчитать по следующей формуле:

(9.1.12)

где ν=0,99 — коэффициент искажения формы для неуправляемых выпрямителей. Отсюда

Таблица 6.1.2 — Преобразователи частоты серии FDU40-160 кВт

Тип FDU40 300 Номинальная мощность, кВт 160 Номинальный выходной ток, А 300 Ограничение тока ICL, 120 с, А 360Пиковый ток двигателя, А 849Входной ток А 282Окружающая температура при номинальной мощности IP20, IP54, оС 0-40 0-35 Частота коммутации fS, кГц 1,5 К. п. д. (Рном при fS = 1,5 кГц), % 98 потери (Рном при fS = 1,5 МГц), кВт 3,2 снижение мощности, %/ оС -2,5 до +10 оС Степень защиты IP20 размеры, ВхШхГIP20 IP23/54мм 1100 (1145) x 500 x 420 2150 x 600 x 500Вес IP20 (IP23/IP54) кг 160

Таблица 6.1.3 — Общие данные серии FDU40

Напряжение питанияВ380-415 +10% / — 15% (возможно перепрограммирование на 230 В +10% / — 15%) Частота сетиГц50/60Выходная частотаГц0-400Выходное напряжениеВ0 — Напряжение сетиУровень шумаdB (A) <=70Относительная влажность%0 - 90 (без конденсата) Атмосферное давлениекПа86 - 106ВибрацияEN60068-2-6 Fc: 10-150 Гц; 0,075 мм /1gОхлаждениеПринудительное, автоматическоеКоэффициент мощности по входу0,95

Расчёт экономических затрат произведем по методике, изложенной в [11].

Определение капитальных вложений.

Капитальные вложения должны учитывать транспортные и монтажные расходы, которые определяются в процентах от стоимости внедряемого оборудования:

где

Цп=307740 (по прайс-листу ООО «АДЛ Групп») — цена с НДС низковольтного преобразователя частоты,

Ц2=60000 — цена трансформатора ТМ-250 включая НДС.

Тр=5% — транспортные расходы;

ПН=10% — пуско-наладочные расходы;

М=8% — расходы на монтажные работы.

В капитальные вложения не включена стоимость ЭД, так как нам необходимо подсчитать лишь экономические затраты от внедрения преобразователя

Определение эксплуатационных затрат.

Годовые эксплуатационные затраты, связанные с обслуживанием и эксплуатацией ЭП, рассчитываются по следующей формуле:

где Звспом — затраты на вспомогательные материалы;

Зрем — затраты на ремонт;

Зобор — затраты на обслуживание оборудования, т.е. на заработную плату работника (работников), занимающегося обслуживанием;

Зам — амортизационные отчисления по внедряемому оборудованию;

Зпр — прочие затраты.

Затраты на вспомогательные материалы составляют 20% от стоимости капитальных вложений:

Затраты на ремонт оборудования составляют 25% от капитальных вложений:

Затраты на содержание и эксплуатацию оборудования составляют 40% от капитальных вложений:

Затраты на амортизацию составляют 10% от капитальных вложений, так как эксплуатационный срок оборудования 10 лет:

где HA =0,1 — норма амортизации.

(9.1.19)

Величина прочих затрат принимается равной 25% от суммы других затрат:

(9.1.18)

Результаты расчета эксплуатационных затрат приведены в таблице 6.1.4

Наименование затратРезультат (руб) 1. Вспомогательные материалы105224,042. Ремонт131530,053. Содержание и эксплуатация210448,084. затраты от потерь электроэнергии919805. Прочие147948,556. Амортизация52612,027. Эксплуатационные затраты739742,74

Общие затраты проекта складываются из капитальных вложений и эксплуатационных затрат:

(9.1.19)

6.2 Высоковольтный преобразователь частоты на IGBT-транзисторах

Структурная схема преобразователей частоты серии MELTRAC-F530HVС (напряжение 3кВ) приведена на рисунке 6.2.1

рисунок 6.2.1 — Общая схема управляемого электропривода

Схема состоит из входного трансформатора, многоуровневого инвертора и системы управления.

Входной трансформатор

Назначение

Входной трансформатор служит для преобразования входного напряжения (3 фазы, 3 кВ) в выходное напряжение (9 фаз, 635 В), которое после выпрямления питает ячейки инвертирования.

Устройство

основной особенностью данного трансформатора является то, что вторичные обмотки разделены на три группы — по шесть обмоток в группе. Фазовый сдвиг между соседними обмотками в группе составляет 10°. Фазовый сдвиг между первой и шестой обмотками группы составляет 50°. каждая выходная обмотка трансформатора нагружена на выпрямитель своей ячейки инвертирования.

Инвертор

Инвертор на каждую фазу состоит из шести ячеек инвертирования, что позволяет осуществлять на обмотке двигателя амплитудную модуляцию по 13 уровням, в сочетании с широтно-импульсной модуляции. подобная многоуровневая ШИМ позволяет получать практически синусоидальные токи в обмотках и снижает потери в двигателе.

Рисунок 6.2.2 — Структурная схема преобразователя

Данная серия преобразователей частоты обладает следующими основными свойствами:

. Высокий КПД (около 98%) и высокий коэффициент мощности (около 95%).

. Регулирование выходного напряжения и частоты.

. Управление преобразователем от пульта управления, внешними командами, с помощью персонального компьютера и контроллера.

. Возможность подключения к общепромышленным сетям со стандартными протоколами (Device NET, Profibus DP, Modbus Plus).

. большой ряд мощностей преобразователей (8250 В, 6600 В)

. использование IGBT-ключей в силовой цепи преобразователей частоты.

. способ управления — многоуровневая широтно-импульсная модуляция.

. Преобразователи частоты данной конструкции не требуют дополнительных сетевых фильтров для защиты сети от помех генерируемых преобразователем

Таблица 6.2.1 — Технические характеристики преобразователя частоты MELTRAC — PMT-F530HVС-165

Модель PMT-F530HVС-165Выходные параметрыНоминальная мощность 165 Номинальный ток 125Токовая перегрузка Стандартная — 120% 60 сек, опционно — 150% 60 сек Напряжение 3 фазы 3000 В 50/60 ГцВходные параметры Номинальное входное напряжение 3 фазы 3000 В 50/60 Гц Пределы изменения входного напряжения 2700 — 3300 ВПределы изменения входной частоты ± 5% Входная мощность 165 Тип охлаждения Принудительное охлаждение

Расчёт экономических затрат найдем по той же методике, что и в предыдущем случае.

Определение капитальных вложений.

где Ц=2453650 (по прайс-листу ООО «НСВ») — цена с НДС высоковольтного преобразователя частоты,

Тр=5% — транспортные расходы;

ПН=10% — пуско-наладочные расходы;

М=8% — расходы на монтажные работы.

В капитальные вложения не включена стоимость ЭД, так как нам необходимо подсчитать лишь экономические затраты от внедрения преобразователя

Определение эксплуатационных затрат.

Годовые эксплуатационные затраты, связанные с обслуживанием и эксплуатацией ЭП, рассчитываются по следующей формуле:

Таблица 9.2.2 Результаты расчета эксплуатационных затрат

Наименование затратРезультат (руб) 1. Вспомогательные материалы603597,92. Ремонт754497,383. Содержание и эксплуатация1207195,84. затраты от потерь электроэнергии341645. Прочие725313,316. Амортизация301798,957. Эксплуатационные затраты3626567,34

Общие затраты проекта складываются из капитальных вложений и эксплуатационных затрат:

руб.

6.3 Обоснование выбора преобразователя

первый вариант, а именно низковольтный преобразователь частоты на IGBT-транзисторах по схеме: понижающий трансформатор — низковольтный преобразователь частоты — повышающий трансформатор — высоковольтный ЭД, имеет высокие массогабаритные характеристики, меньшие по отношению ко второму варианту КПД (93 — 96%), но более дешевый (1265862,94 руб.) и прост в практической реализации.

второй вариант — высоковольтный преобразователей частоты на IGBT — транзисторах, имеет высокий КПД (около 98%) и высокий коэффициент мощности (около 95%), но сложен в технической реализации, что отражается в цене (6644556,84 руб.). Так же, при использование таких преобразователей возникает проблема «длинного кабеля», для устранения которого требуются дополнительные элементы, а это приводит к усложнению схемы подключения.

поэтому выбираем первый вариант, который прост в реализации и значительно дешевле второго.

7. Математическая модель электропривода

Общая структура электропривода.

Для составления математической модели удобно воспользоваться представлением системы в переменных входы-выходы, которая отличается отражением в модели реальных физических величин, что в свою очередь более удобно при рассмотрении конкретных систем электроприводов различных производственных механизмов.

Общая структура электропривода представляется в виде схемы (рисунок 10.1), где раскрываются входные и выходные переменные каждого звена системы электропривода.

Рисунок 7.1 — Общая структура электропривода

Частотный преобразователь можно разделить на три основные части: неуправляемый выпрямитель, инвертор и систему управления выпрямителем и инвертором. Частотно-регулируемый асинхронный двигатель (ПЭДВ), вращая центробежное колесо насоса ЭЦВ, воздействует на величину давления жидкости в системе трубопроводов. давление жидкости фиксируется датчиком давления. Преобразованный с помощью измерительного преобразователя сигнал с датчика передается в системы управления ПЧ. Для представления математической модели ЭП необходимо составить систему уравнений описывающих электрическое и электромагнитное состояние ЭП, а также систему уравнений, описывающую механические процессы, протекающие в ЭП. Для составления уравнений, характеризующих электрическое и электромагнитное состояние электродвигателя, удобно воспользоваться Т-образной схемой замещения асинхронного двигателя.

Рисунок 7.2 — Схема замещения асинхронного двигателя

1ф — Uab = I1R1 + jX1I1;

Uab = (R2/s) ·I2 + jX2I2;

где U1Ф — напряжение фазы обмотки статора;ab — напряжение на «зажимах» ветви намагничивания;1 — ток фазы статорной обмотки;1, X1 — активное и индуктивное сопротивление фазы обмотки статора;2′ — приведенное индуктивное сопротивление ротора;2’/s — приведенное активное сопротивление ротора с учетом механической нагрузки на валу двигателя;2′ — приведенный ток ротора.

Уравнения, характеризующие электромагнитное состояние электродвигателя:

ab = jX0I0;1 + I2 = I0.

где X0 — индуктивное сопротивление ветви намагничивания;0 — ток холостого хода (ветви намагничивания).

Уравнения, описывающие механику двигателя:

;

где ω0 — синхронная частота вращения.

;

;

где Мс — статический момент сопротивления, Нм;- момент инерции двигателя, кг/м2.

после перехода к операторной форме, выражения примут следующий вид:

U1ф — Uab = I1R1 + pL1I1;ab = (R2/s) ∙I2 + pL2I2;ab = pL0I0,

;

Выражения 10.4 и 10.6 для дальнейшего анализа удобно представить в виде:

0 = I1 + I2;

;

Структурная схема электропривода

Структурная схема выпрямителя соответствует уравнению, описывающему его работу:

d=K1U2;

Рисунок 7.3 — Структурная схема выпрямителя

Структурная схема инвертора

Из выражения видно, что выходными сигналами системы управления преобразователя частоты являются глубина модуляции и частота модуляции, они же наряду с Ud, будут являться входными для инвертора с широтно-импульсной модуляцией.

рисунок 10.4 — Структурная схема инвертора

На рисунке 7.4 — К2 = 2π/р — пропорциональное звено перехода к круговой частоте модуляции.

Структурная схема асинхронного двигателя

Структурная схема асинхронного двигателя может быть представлена на основании выражений 10.5,10.8-10.13.

Цепь статора

Преобразуем выражение 10.8 относительно I1.

;

Где К3=1/R1 — коэффициент передачи звена;1=L1/R1 — постоянная времени фазы статорной обмотки.

Рисунок 10.5 — Структурная схема цепи статора асинхронного двигателя

Цепь ротора

Преобразуем выражение 10.9 относительно I’2:

;

Где К5=1/R’2 — коэффициент передачи звена;2=L2’/R’2 — постоянная времени фазы обмотки ротора.

Рисунок 7.6 — Структурная схема цепи ротора асинхронного двигателя

Цепь намагничивания

Используя выражения 10.10 и 10.12 и приняв L0=K4, получаем структурную схему:

рисунок 7.7 — Структурная схема цепи намагничивания

момент двигателя

Из уравнения 10.5 приняв К0=3R2′ (коэффициент усиления звена), получаем структурную схему:

рисунок 7.8 — Структурная схема выражения вращающего момента двигателя

Скольжение

Рисунок 7.10 — Структурная схема выражения скольжения

классическое уравнение движения привода

Представляет собой интегрирующее звено:

рисунок 7.11 — Структурная схема интегрирующего звена

Структурная схема статического момента сопротивления производственного механизма

Производственный механизм оказывает влияние на величину угловой скорости вращения двигателя внесением отрицательного момента сопротивления в структурную схему электропривода. Статический момент сопротивления является отрицательным по отношению к моменту двигателя. В общем случае, для подавляющего большинства центробежных насосов механическая характеристика может быть выражена эмпирической формулой [1]:

;

где МС — момент сопротивления производственного механизма при скорости ω;

МС0 — момент сопротивления трения в движущихся частях механизма;

МС. НОМ — момент сопротивления при номинальной скорости ωНОМ.

рисунок 7.12 — Структурная схема насоса

Общая структурная схема, показанная на рисунке А.1, включает в себя также обратную связь (рисунок 10.13), входной величиной, которой является давление в системе трубопроводов (уровень в наполняемом резервуаре), выходной — изменение электрического параметра (например, напряжения).

Рисунок 7.13 — Структурная схема звена обратной связи

8. Проблема «длинного кабеля» в электроприводах с IGBT (инверторами)

неоспоримые достоинства транзисторных IGBT-инверторов напряжения (АИН) с широтно-импульсным управлением (ШИМ) в регулируемом асинхронном электроприводе сочетаются, однако, с рядом проблем, одной из которых является проблема «длинного кабеля», соединяющего обмотки двигателя (АД) с выходом АИН. Выходное напряжение U1 АИН с ШИМ представляет собой высокочастотную последовательность прямоугольных импульсов различной полярности и длительности с одинаковой амплитудой Ud-величины постоянного напряжения на входе АИН (рисунок 11.1).

Крутизна фронта tf импульсов напряжения определяется скоростью переключения силовых ключей АИН и при использовании различных полупроводниковых приборов составляет:

однооперационные тиристоры SCR — 4.10 мкс;

силовые биполярые тиристоры GTR — 0,5.2 мкс;

транзисторы IGBT — 0,05.0,1 мкс

Рис. 8.1 Выходное напряжение АИН с ШИМ

Рис. 7.2 Цепь соединения АИН с АД (эквивалентная схема элементарного участка кабеля)

Существенно более высокое быстродействие IGBT, являющееся преимуществом для реализации высокочастотной ШИМ и минимизации потерь энергии в АИН и АД, негативно проявляется в протекании переходных процессов в цепи АИН — соединительный кабель — АД (рисунок 11.2) на интервалах времени фронта tf. Прохождение импульсного сигнала с крутым фронтом вызывает волновые процессы в кабеле, приводящие к появлению перенапряжений на зажимах двигателя (рисунок 8.3).

Рис. 8.3 Напряжение на зажимах АД при подключении «длинным кабелем»

В этом случае, согласно теории цепей, кабель следует рассматривать как однородную длинную линию с распределенными параметрами, элементарный участок которой показан на рисунке 11.2 Ввиду относительной малости последовательным активным сопротивлением rк и параллельной активной проводимостью gк участка линии можно пренебречь. Волновое сопротивление Z0 кабеля при этом определяется последовательной индуктивностью Lк и параллельной емкостью Ск участка линии:

Значения параметров Lк и Ск зависят от типа, конструкции и сечения кабеля (кабельной линии), но, как свидетельствуют справочные и экспериментальные данные, зависимость эта незначительна. Для широкого ассортимента монтажных проводов и кабелей усредненные значения этих параметров составляют: Lк=1 мкГн/м; Ск=50 пФ/м.

Тогда:

Можно с большей степенью достоверности принять значения Z0=100.200 Ом для всех применяемых в электроприводах монтажных проводов и кабелей.

Входное сопротивление Z1 кабеля представлено выходным сопротивлением полупроводниковых вентилей и внутренним сопротивлением батареи конденсаторов входного фильтра и является относительно малой величиной, которой также можно пренебречь:

1<

Выходным сопротивлением Z2 кабеля является относительно большое для высокочастотного сигнала входное сопротивление АД, определяемое индуктивностью рассеяния L его обмоток и эквивалентной частотой ωf фронта импульса напряжения:

,

поэтому Z2>>Zo.

В связи с вышесказанным, при прохождении крутого фронта импульса напряжения входная часть силового монтажного кабеля электропривода (со стороны АИН) работает в режиме короткого замыкания, выходная часть кабеля (на зажимах АД) — в режиме холостого хода.

С учетом значений параметров волновые характеристики монтажных проводов и кабелей приближаются к характеристикам линии без искажений и потерь:

ωfLK>>rK; ωf CK>>gK; rK =gK ≈0.

В такой линии скорость Vf распространения высокочастотной волны определяется выражением:

и равна примерно половине скорости света в вакууме. Для приведенных выше значений параметров Lк и Ск:

f≈142∙106 м/с.

Этой скорости соответствует длина волны λ:

м

время Tf прохождения фронта импульса от выхода АИН к зажимам АД определяется длиной l кабеля (для нашего случая длину кабеля примем равной длине скважины l=375м):

f=l/Vf=375/142∙106=2,5мкс

Если это время больше или равно времени фронта tf, то в конце кабеля из-за его несогласованности с нагрузкой (Z2>>Zo) возникает отраженная волна напряжения n2U1, которая суммируется с падающей (прямой) волной напряжения U1, образуя стоячие волны. В результате на зажимах АД образуется напряжение:

2 = U1∙ (1 + n2),

где 0 < n2 ≤ 1 - коэффициент отражения.

максимальное значение n2 = 1, тогда напряжение на зажимах АД удваивается. Возвращаясь к началу кабеля, отраженная волна гасится малым входным сопротивлением Z1<поэтому напряжение U1 на зажимах АИН не изменяется.

При Tf < tf коэффициент отражения n2 рассчитывается по формуле:

2=n2max∙ (Tf/tf)

снижению срока службы изоляции обмоток двигателя.

используются два эффективных способа ограничения волновых перенапряжений на зажимах АД:

) установка последовательного силового LC-фильтра БФ2П на выходе АИН для уменьшения крутизны фронта импульсов его выходного напряжения;

) установка параллельного RC-фильтра БФ2М (слаботочного) непосредственно у зажимов АД для согласования волнового сопротивления кабеля.

Переходные процессы в разомкнутой системе преобразователь частоты — асинхронный двигатель (ПЧ-АД)

Для анализа динамики системы ПЧ-АД построим ее структурную схему.

известно, что при питании от преобразователя частоты асинхронный двигатель работает исключительно на прямолинейных участках механических характеристик. Следовательно, в данном случае можно пренебречь электромагнитной постоянной времени и считать переходные процессы электромеханическими. В этом случае момент двигателя определяется выражением. Однако это уравнение описывает механическую характеристику электродвигателя во всем диапазоне скольжений. Так как в системе ПЧ-АД электродвигатель работает только при скольжениях, меньших критического, то является целесообразным использовать математическое описание прямолинейного участка характеристики, которое можно представить следующим образом:

w = w он aDw,

где w он — скорость идеального холостого хода при частоте f, равной номинальной частоте fн;

a = f / fн — относительная частота напряжения питания;

Dwстатическое падение скорости.

Так как на рабочем участке механические характеристики двигателя в системе ПЧ-АД параллельны, то при данном Мс статическое падение скорости является величиной постоянной, то есть можно представить в виде:

w = w он a — К М, (4.50)

где

К — коэффициент пропорциональности между М и Dw.

Этот коэффициент можно определить, исходя из следующих соображений: он является постоянным для любой точки характеристики, в том числе и для точки номинального режима на естественной характеристике:

w н = w он a — К Мн.

Из (4.51) после алгебраических преобразований получаем:

К = w он Sн / Мн.

Подставляем вместо К его значение после алгебраических преобразований получаем математическое описание момента двигателя на линейных участках механических характеристик:

М = (w он aw) Мн / Sн w он.

дальнейшее математическое описание целесообразно вести в относительных единицах (здесь относительные величины обозначаются значком *); в качестве базовых используются: Мн, w он, fн.

Тогда принимает вид:

М* = (aw*) / Sн.

Из уравнения движения электропривода получаем:

М = Мс + Тм (Мкн / w он) (dw / dt),

где Тм = Jw он / Мкн — электромеханическая постоянная времени;

Мкн — критический момент на характеристике при f = fн.

Представим в относительных единицах:

М* = Мс* + Тм (Мкн / Мн) (dw* / dt).

здесь Мкн / Мн = lперегрузочная способность двигателя. причем закон совместного изменения частоты и напряжения преобразователя выбирается именно из условия получения постоянной перегрузочной способности при любой форме зависимости от скорости момента статического, то есть для всех реально возможных режимов эта величина остается неизменной. следовательно можно записать:

М* = Мс* + Тм l (dw* / dt)

w* (р) = (М* (р) — Мс* (р)

lТмр

М* (р) = (a (р) — w* (р)) / Sн.

На основании построена структурная схема асинхронной машины при ее работе на прямолинейных участках механических характеристик, приведенная на рис. 1.20.

Как указывалось выше, преобразователь частоты состоит из выпрямителя и инвертора, соединенных последовательно. Если, согласно [8], представить их апериодическими звеньями с постоянными времени Тв и Ти соответственно, то передаточная функция Wп (p) преобразователя имеет вид:

п (p) = Кп / [ (Tв + 1) (Tи p+1)],

где Кп — коэффициент усиления ПЧ.

после алгебраических преобразований (4.60) можно записать

п (p) = Кп / (TвТи p2+Tв p+Tи p+1)

Как указывалось выше, постоянная времени выпрямителя Тв = 0,01с, а величина постоянной времени инвертора определяется его конструкцией. Если инвертор построен на базе тиристорных ключей, то его постоянная времени Ти = 0,01, если — на базе транзисторов, то его можно считать безъинерционным звеном с постоянной времени равной нулю.

Если Ти = 0,01, то TвTи = 0,0001с. этой величиной можно пренебречь и тогда

п (p) = Кп / [ (Tв+Tи) p+1)].

следовательно,

Wп (p) = f (р) / Uз = Кп / [ (Tв+Tи) p+1)].

Представим (4.63) в относительных единицах, где базовым значением Uз является Uзн, при котором на выходе преобразователя имеется напряжение с частотой fн, равной номинальной. Имея в виду, что в установившемся режиме Uзн Кп = fн, получаем:

a (р) = U* (р) / [ (Tв+Tи) p+1)]

На основании (4.64) с учетом схемы рис. 1.20 строится структурная схема разомкнутой системы ПЧ-АД, приведенная на рис. 1.21.

Получаем систему дифференциальных уравнений, описывающих эту схему:

dw / dt = (М* — Мс*) / l Тм;

М* = (aw*) / Sн;

da / dt = (Uз* — a) / (Тв + Ти)

При линейном изменении задающего напряжения вместо Uз* подставляется его функциональная зависимость Uз* = Кзt, где Кз = 1/tп — коэффициент скорости изменения частоты выходного напряжения преобразователя, который, также как и в системе ТП-Д, определяется из условия получения при пуске момента, не превышающнго допустимый.

Так как механические характеристики электродвигателя считаются линейными, то методика поэтапного анализа переходных процессов здесь такая же, как и в системе ТП-Д.

Схема АД с плавным пуском при вентиляторном моменте.

Список использованной литературы

1.Бабакин В.И., Байбурин Э.Р., Башаров Р.А. Курсовое проектирование по теории электропривода: Учеб. пособие. Уфа: Изд-во УГНТУ, 1999.154 с.

2.Бабакин В.И., Байбурин Э.Р., Башаров Р.А. Курсовое проектирование по теории электропривода: Учеб. пособие. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2000.84 с.

.Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. — М.: Энергоиздат, 1981. — 576 с., ил.

.Забродин Ю.С. Промышленная электроника; Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1982.

.Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. М.; Энергоатомиздат, 1992.544 с.

.Меньшов Б.Г., Суд И.И., Яризов А.А. Электрооборудование нефтяной промышленности. М: Недра 1990.365 с.: ил.

.Теория автоматического управления. / под, ред. А В. Нетушила, М.: Высшая школа 1967.424 с.

.Колпаков Л.Г. Центробежные насосы магистральных нефтепроводов. М.: Недра, 1985.184 с.

.Шабанов В.А., Лопатин В.П. Курсовое проектирование по электрическим сетям и электроснабжению. — Уфа: Изд-во УГНТУ, 1997.

.Фёдоров А.А., Каменева В.В. основы электроснабжения промышленных предприятий: Учебник для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия, 1979. — 408 с., ил.

.Буренина И.В. Учебно-методическое пособие к составлению экономической части дипломного проектирования для студентов специальностей 21.02.00, 18.04.00.

Учебная работа. Разработка электропривода погружного центробежного насоса ЭЦВ 16-375-350