Проектирование электропривода нижних ворот шлюза

Введение 5
1 Анализ и описание системы “электропривод – рабочая машина” 6
1.1 Тахограмма требуемого процесса движения 6
1.2 Количественная оценка моментов сопротивления 12
1.3 Составление расчетной схемы механической части ЭП 13
1.4 Построение нагрузочной диаграммы и механической характеристики рабочей машины 15
2 Анализ и описание систем “ЭП – сеть” и “ЭП – оператор” 17
2.1 Анализ и описание системы “электропривод – сеть” 17
2.2 Анализ и описание системы “электропривод – оператор” 17
3 Выбор принципиальных решений 19
3.1 Построение механической части привода 19
3.2 Выбор типа привода 19
3.3 Выбор способа регулирования координат 21
3.4 Оценка и сравнение выбранных вариантов 21
4 Расчет силового электропривода 24
4.1 Расчет параметров и выбор электродвигателя 24
4.2 Расчет параметров и выбор силового преобразователя 27
5 Расчет статических механических и электромеханических характеристик двигателя и привода 29
5.1 Расчет естественных статических характеристик двигателя 29
5.2 Расчет статических механических характеристик привода 31
6 Расчет переходных процессов электропривода за цикл работы 33
6.1 Синтез системы электропривода 33
6.2 Анализ системы электропривода 38
7 Проверка двигателя по нагреву 39
8 Разработка схемы электрической принципиальной 41
8.1 Разработка схемы силовых цепей, цепей управления и защиты 41
8.2 Выбор элементов схемы 41
Заключение 43
Список литературы 44
Приложение А – Построение тахограммы движения двигателя и створки ворот 45
Приложение Б – Построение упрощенной нагрузочной диаграммы работы привода 48
Приложение В – Расчет приведенного момента инерции привода 49
Приложение Г – Построение уточненной нагрузочной диаграммы механизма 50
Приложение Д – Расчет эквивалентного момента двигателя 51
Приложение Е – Определение параметров схемы замещения асинхронного двигателя 52
Приложение Ж – Расчет параметров структурной схемы 55
Приложение З – Программная модель системы электропривода 57
Приложение И – Графики переходных процессов момента и скорости 59
Приложение К – Оценка загрузки двигателя 61

1.1 Тахограмма требуемого процесса движения
Цикл работы механизма ворот состоит из двух операций: первая - открывание ворот, вторая - закрывание. Между каждой операцией имеет место пауза, обусловленная общим циклом шлюзования. Согласно варианту исходного задания количество шлюзований в сутки равно . Для обеспечения точности останова шлюз за 10 градусов до конечного положения переходит на пониженную скорость. Торможение начинается со скорости составляющей 0,5 от номинальной. Снижение скорости начинается при открывании ворот на 60 градусов, торможение при закрывании ворот начинается при повороте на 69,7 градусов от своего начального положения. При этом время поворота створок из одного крайнего положения в другое составляет .
Определим время цикла поворота шлюза:
,
где – длительность суток;
- количество шлюзований в сутки.
...

1.2 Количественная оценка моментов сопротивления
Целью данного анализа является количественная оценка моментов, противодействующих движению за весь цикл работы, что является основой для силового расчета двигателя.
Зависимость статического момента от угла поворота створок задана в виде таблицы. Для упрощения расчета проведем аппроксимацию приведенной табличной зависимости при помощи математического пакета MathCAD 11 Enterprise Edition, в результате чего получим функцию зависимости статического момента на валу двигателя в функции угла поворота створки ворот. Зная зависимость угла поворота створок от времени , функцию и момент холостого хода, можно получить зависимость , которая представлена на рисунке 1.4. Расчет статических моментов приведен в приложении Б. Так как в задании на курсовой проект задана зависимость момента на валу двигателя от угла поворота створки, то при расчете статических моментов потери в передачах учитывать не надо.

Рисунок 1.
...

1.3 Составление расчетной схемы механической части ЭП
Для теоретических исследований реальную механическую часть электропривода заменяют динамически эквивалентной приведенной расчетной схемой, состоящей из сосредоточенных инерционных элементов, соединенных между собой упругими связями, и обладающей таким же энергетическим запасом, как и исходная реальная система привода [2].
Кинематическая схема нижних ворот шлюза приведена на рисунке 1.5

1 – электродвигатель;
2 – редуктор;
3 – коническая зубчатая пара;
4 – приводное зубчатое колесо;
5 – штанга;
6 – створка ворот.
Рисунок 1.5 – Кинематическая схема нижних ворот шлюза
Как видно из кинематической схемы, упругие элементы в данной схеме отсутствуют. Поэтому при дальнейшем исследовании привода будем использовать одномассовую расчетную схему, которая приведена на рисунке 1.6 и на листе НВШ 24.00.00.000 Д2

Рисунок 1.
...

1.4 Построение нагрузочной диаграммы и механической характеристики рабочей машины
Нагрузочная диаграмма механизма представляет собой зависимость приведенного к валу двигателя момента в функции времени за цикл работы [2]. Для построения уточненной нагрузочной диаграммы необходимо уточнить статический момент нагрузки динамическим моментом:
,
На основании известной зависимости динамического момента от времени можно построить уточненную нагрузочную диаграмму. Построение уточненной нагрузочной диаграммы приведено в приложении Г. В результате расчета искомая диаграмма приняла вид, изображенный на рисунке 1.7 и в графической части проекта на листе НВШ 24.00.00.000 Д2.

Рисунок 1.7 – Уточненная нагрузочная диаграмма механизма
Как видно из приведенной нагрузочной диаграммы максимальный момент двигателя при открытии шлюза может достигать значения 655,49 Нм с момент времени : . Данный факт необходимо учитывать при выборе электродвигателя.
...

2.1 Анализ и описание системы “электропривод – сеть”
Целью данного анализа является оценка влияния параметров питающей сети на работу электропривода [2].
Источником питания электропривода нижних ворот шлюза служит трехфазная сеть переменного тока, обладающая свойствами источника напряжения. Величина напряжения сети – 380/220 В, частота – 50 Гц. Вместе с тем стандартами допускается колебание напряжения сети в пределах 10%. Колебание частоты питающее сети ограничивается 1%.
Колебания напряжения сети оказывают существенное влияние на электродвигатели переменного тока, так как момент, развиваемый двигателем в этом случае пропорционален квадрату питающего напряжения. Для двигателей постоянного тока колебания сети не оказывают значительного влияния, так как момент, развиваемый двигателем пропорционален величине питающего напряжения.

2.2 Анализ и описание системы “электропривод – оператор”
Согласно техническому заданию при работе механизма открытия ворот шлюза требуется точное отслеживание угла поворота створки ворот. Данное условие требует построения замкнутой системы с контролем положения створки ворот или ротора двигателя. Это требование можно реализовать путем применения датчика скорости с последующим программным интегрированием выходного сигнала датчика. В связи с тем, что в процессе работы привода могут происходить непредусмотренные программой ситуации, необходимо предусмотреть наличие возможности экстренного вмешательства оператора в процесс работы механизма.
Данную задачу можно реализовать путем установки пульта оператора.
Наличие оператора требует, чтобы к системе управления предъявлялось ряд требований:
• необходимость обеспечения условий безопасного управления и обслуживания электропривода;
• создание ряда дополнительных защит и блокировок от аварийных режимов;
• простота управления.
...

3.1 Построение механической части привода
Для упрощения механической части, уменьшения габаритов и потерь, а также осуществления благоприятного динамического режима, следует осуществлять передачу движения от двигателя к рабочему органу (валу) как можно более децентрализованным путём без использования промежуточных звеньев в виде редукторов или других механизмов. В данном примере обойтись без редуктора невозможно, так как скорость рабочего вала очень мала. Кроме того, при выборе передаточных механизмов следует выбирать механизмы с наибольшей жесткостью и коэффициентом полезного действия. В техническом задании на курсовое проектирование параметры механической части были заданы изначально, поэтому расчет оптимального значения передаточного числа не проводился. В целом механическая часть рассматриваемого электропривода обладает достаточной надежностью и нормальным коэффициентом полезного действия.
...

3.2 Выбор типа привода
При определении возможных принципиальных решений выбирается несколько вариантов электропривода, удовлетворяющих в той или иной степени требованию задания на проектирование. Выбор вариантов привода осуществляется на основе
изучения существующих типовых электроприводов для данного класса рабочих машин, определяя конструкцию механической части привода, возможные типы двигателей и способы регулирования координат.
При выборе типа привода необходимо учитывать особенности работы исполнительного механизма. Выбор типа привода определятся режимом работы механизма, параметрами нагрузки и необходимым диапазоном регулирования.
Специфической особенностью работы привода ворот шлюза является кратковременный режим работы двигателя, когда за рабочим периодом следует пауза, за время которой двигатель не успевает остыть до температуры окружающей среды.
...

3.4 Оценка и сравнение выбранных вариантов
Для выбора окончательного варианта системы электропривода нижних ворот шлюза необходимо провести сравнительную оценку технических, технологических и экономических характеристик рассматриваемых вариантов. Проведение строгих технико-экономических расчётов на данной стадии расчета не представляется возможным из-за отсутствия требуемых исходных данных, поэтому для оценки и сравнения выбранных вариантов воспользуемся приблизительным методом – “методом экспертных оценок”, основные положения которого изложены в [2].
Выделим наиболее важные характеристики для выбора системы электропривода:
• КПД привода;
• коэффициент мощности привода;
• надежность;
• простота конструкции;
• массогабаритные показатели;
• стоимость электропривода;
• затраты на эксплуатацию;
• диапазон регулирования.
Для каждой характеристики определяем показатель качества qi в диапазоне 15.
...

4.1 Расчет параметров и выбор электродвигателя
Так как в процессе работы привода нижних ворот шлюза присутствуют паузы, за время которых двигатель не успевает полностью охладиться (время цикла ), то двигатель работает в повторно-кратковременном режиме работы, для которого желательно выбирать двигатели с номинальным режимом работы S3.
По причине отсутствия необходимых исходных данных для расчета мощности двигателя методами средних потерь или эквивалентного тока, воспользуемся менее точным методом – методом эквивалентного момента. При этом примем следующие допущения:
• момент, развиваемый двигателем, пропорционален току, причем коэффициент пропорциональности постоянен за весь цикл работы;
• постоянные потери и сопротивления двигателя за время цикла не изменяются.
Как уже говорилось выше, режим работы привода – повторно-кратковременный. Тогда согласно алгоритму расчета силового электропривода [3] определяем расчетный эквивалентный статический момент MЭР,:
(4.
...

4.2 Расчет параметров и выбор силового преобразователя
Основными условиями, определяющими выбор преобразователя частоты, являются:
• Номинальная мощность нагрузки ;
• Номинальное напряжение нагрузки:
• Номинальный ток нагрузки: ;
Таблица 4.1 – Параметры преобразователя частоты
Параметр
Значение
Максимальная мощность двигателя, кВт
45
Номинальная выходная мощность, кВА
73
Номинальный выходной ток, А
96
Максимальное выходное напряжение, В
380-460
Потребляемая мощность, кВт
1,4
Номинальное напряжение источника, В
380-460
Допустимое отклонение напряжения источника
-15%+10%
Частота сети, Гц
50..60
Допустимое отклонение частоты питающей сети
±5%
Диапазон регулирования частоты, Гц
0,2 - 400
Перегрузочная способность (в процентах от номинального тока)
150
Тормозной момент, (в процентах от номинального момента)
20
• Полная мощность, потребляемая нагрузкой:
;
• алгоритм управления частотой: векторное с обратной связью.
...

5.1 Расчет естественных статических характеристик двигателя
Расчет характеристик проведём по паспортным данным машины согласно методике, изложенной в [7].
Скорость идеального холостого хода:
(5.1)
Номинальная угловая скорость вращения ротора двигателя:
(5.2)
Номинальный момент на валу двигателя:
(5.3)
Критический момент двигателя:
(5.4)
Пусковой момент двигателя:
(5.5)
Определим значения критического и пускового моментов с учетом возможной десяти процентной просадкой напряжения сети:
(5.6)
Как видно из полученных значений моментов, выбранный двигатель обеспечивает пусковой и максимальный момент нагрузки, что свидетельствует о правильности его выбора.

Критическое скольжение по (7.13) [8]:
(5.7)
Коэффициент q по (7.14) [8]:
(5.8)
Расчёт естественной механической характеристики двигателя производим по формуле Клосса в соответствии с рассчитанными параметрами:
(5.9)
Естественная механическая характеристика двигателя приведена на рисунке 5.1.


Рисунок 5.
...

5.2 Расчет статических механических характеристик привода
Так как выбранный преобразователь частоты позволяет осуществить построение замкнутой системы электропривода с внешним контуром, включающим ПИ-регулятор, а также согласно требованиям технологического процесса, разрабатываемую систему выполним замкнутой. Вследствие наличия ПИ-регулятора во внешнем контуре скорости, проектируемая система будет астатической. Это позволяет утверждать: статические механические характеристики привода представляют собой прямые, параллельные оси абсцисс и имеющие ординаты, соответствующие рабочим скоростям механизма. Данные прямые будут ограничены перегрузочной способностью машины. Так как работа привода с точки зрения максимальной скорости ограничивается номинальной скоростью двигателя, то построение перегрузочной способности произведем только до этой скорости. Статические механические характеристики привода приведены на рисунке 5.3.

Рисунок 5.2.
...

6.1 Синтез системы электропривода
Для расчёта переходных процессов в электроприводе за цикл работы необходимо произвести синтез системы управления, получить необходимые регуляторы. При синтезе системы желательно максимально упростить структурную схему системы для получения наиболее простых регуляторов. Упрощенная структурная схема асинхронного привода при векторном управлении приведена на рисунке 6.1.
Рисунок 6.1 –Структурная схема асинхронного электропривода при векторном управлении
Параметры схемы замещения асинхронного двигателя рассчитаны по паспортным данным в приложении Ж. Расчет производился согласно методике, изложенной в [7]. Параметры структурной схемы, определяемые согласно [11], рассчитаны в приложении Е. При расчетах вышеуказанных параметров была использована система математических вычислений MathCAD 11 Enterprise Edition.
6.1.1 Настройка контура тока намагничивания на модульный оптимум
Структурная схема контура стабилизации тока намагничивания приведена на рисунке 6.2.
...

6.2 Анализ системы электропривода
При анализе переходных процессов в электроприводе модель привода желательно максимально детализировать. Исходя из этих условий в среде визуального моделирования Simulink математического пакета MatLab 6.5 была разработана модель проектируемого электропривода. Данная модель приведена в Приложении З. При моделировании модель асинхронный двигатель был представлен в системе координат XY, ориентированной по вектору потокосцепления ротора. Модель механической части соответствует одномассовой расчетной схеме при переменном моменте инерции. Регулятор скорости выполнен адаптивным – его параметры изменяются в зависимости от изменения момента инерции и потокосцепления ротора. При моделировании учтены основные нелинейности, вызванные насыщением стали и операционных усилителей регуляторов.
...

7 Проверка двигателя по нагреву
Для проверки правильности выбора электродвигателя будем использовать метод средних потерь. Так как электропривод проектируемого механизма работает в переходных режимах, необходимо использовать интегральную оценку:
(7.1),
где:
– мгновенные потери мощности при открытии (закрытии) ворот шлюза:
(7.2),
где:
– мгновенная мощность при открытии (закрытии) ворот шлюза:
(7.3)
– мгновенный КПД при открытии (закрытии) ворот шлюза:
(7.4),
где:
– отношение постоянных и переменных потерь. Согласно [3] принимаем ;
– мгновенный коэффициент загрузки двигателя,
(7.5)
где:
– номинальная мощность двигателя ;
Расчет средних потерь за цикл работы приведен в приложении К. Расчет проведен с использованием пакета математических вычислений MathCAD 11 Enterprise Edition. В результате расчета было получено значение средних потерь за цикл работы равное .
Номинальные потери мощности можно определить как:
(7.
...

8.1 Разработка схемы силовых цепей, цепей управления и защиты
Силовая цепь состоит из следующих элементов: автоматический выключатель QF1, преобразователь (автономный инвертор напряжения) UZ1, помехоподавляющие фильтры A3 и A4, двигатель M1.
Автоматический выключатель QF1 применяется для видимого разрыва цепи, а также для дублирования защиты от токов короткого замыкания и длительных перегрузок по току (данные виды защит предусмотрен также и в инверторе).
Помехоподавляющие фильтры используются для защиты от помех, создаваемых инвертором, сети (сетевой фильтр A3) и нагрузки (помехоподавляющий дроссель на стороне нагрузки A4).
Для задания требуемой скорости вращения в функции угла поворота створки ворот, а также программного вычисления данного угла, используется микропроцессорная система управления A1.
Для создания замкнутой системы электропривода необходимо применение датчика скорости A2.
...

8.2 Выбор элементов схемы
Выбор электродвигателя и преобразователя частоты приведен в пунктах 4.1 и 4.2 соответственно.
Выбор автоматического выключателя производят по следующим условиям [9]:

Uном.авт.≥Uсети=220В,
Iном.авт.≥Iном.нагр=75А,

Выбираем из [9] автоматический выключатель А3716БУ3 со следующими характеристиками согласно ТУ 16-522.064-82:
• номинальное напряжение автомата (при 50 Гц): 380 B,
• номинальный ток автомата: 160 A,
• ток уставки электромагнитного расцепителя: 1600±320 А
• номинальный ток теплового расцепителя: 80 А
В соответствии с рекомендациями, изложенными в технической документации по преобразователям частоты Omron серии 3G3FV, в качестве дросселей будем использовать следующие элементы:
• Входной помехоподавляющий фильтр А3: 3G3IV-PHF3150CZ;
• Выходной помехоподавляющий фильтр А4: 3G3IV-PLF3110KB.
В качестве датчика скорости A1, руководствуясь теми же рекомендациями, применим цифровой измеритель K3TG-V111R.
...