Модернизация электропривода прессовой части БДМ "Сухонского ЦБК"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров"

Кафедра автоматизированного электропривода и электротехники

Дипломный проект на тему:

"Модернизация электропривода прессовой части БДМ "Сухонского ЦБК""

Санкт - Петербург

2011г.

Содержание

Введение

1. Описание технологического процесса

1.1 Назначение прессовой части бумагоделательной машины

1.2 Требования к электроприводу прессовой части

1.3 Кинематическая схема электропривода прессовой части бумагоделательной машины

2. Техническое задание на модернизацию

2.1 Вводная часть

2.1.1 Цель модернизации системы

2.1.2 Основные технические характеристики существующей машины

2.1.3 Объем модернизации

2.2 Требования к электроприводу по качеству регулирования

2.3 Требования по автоматизации

2.3.1 Посты управления

2.3.2 Режимы работы электропривода прессовой части

2.3.3 Порядок останова

2.3.4 Виды защиты

2.3.5 Виды блокировок

2.4 Требования к питающему трансформатору

2.5 Требования безопасности

3. Расчетная часть

3.1 Поэлементный расчет мощности

3.1.1 Определение мощности двигателя пересасывающего вала

3.1.2 Определение мощности двигателя отсасывающего вала

3.1.3 Определение мощности двигателя центрального вала

3.1.4 Определение моментов инерции валов

3.1.5 Расчет угловых скоростей валов

3.1.6 Расчет угловых скоростей двигателей

3.1.7 Расчет приведенных моментов инерции

3.1.8 Расчет динамической мощности для разгона валов

3.1.9 Расчет полной мощности двигателей

3.1.10 Определение моментов сопротивления двигателей

3.2 Выбор двигателей

3.3 Выбор датчика скорости

3.4 Выбор тиристорного преобразователя

3.5 Выбор частотного преобразователя

4. Система автоматического управления

4.1 Расчет регуляторов для первой приводной точки

4.1.1 Настройка канала регулирования потокосцепления

4.1.2 Настройка канала регулирования скорости

4.2 Расчет регуляторов для второй и третьей приводных точек

4.2.1 Расчет и настройка контура тока

4.2.2 Расчет параметров структурной схемы контура скорости для второй приводной точки

4.2.3 Расчет параметров структурной схемы контура скорости для третьей приводной точки

5. Структурная схема электропривода прессовой части

6. Алгоритм управления

6.1 Словесный алгоритм

6.2 Алгоритм управления представленный формулами логики

6.3 Программа на языке LAD

6.4 Выбор промышленного контроллера

7. Принципиальная схема электропривода прессовой части

8. Безопасность объекта

8.1 Производственная безопасность

8.1.1 Оценка безопасности воздействия механических нагрузок

8.1.2 Оценка безопасности при наличии шума

8.1.3 Оценка безопасности при наличии вибраций

8.1.4 Оценка безопасности при наличии вредных веществ

8.1.5 Оценка безопасности освещения

8.1.6 Оценка безопасности микроклимата

8.1.7 Оценка электробезопасности

8.1.8 Оценка радиационной безопасности

8.1.9 Оценка пожарной безопасности

8.1.10 Мероприятия повышающие уровень производственной безопасности

8.2 Экологическая безопасность

8.2.1 Оценка экологического воздействия газовых выбросов

8.2.2 Оценка экологического воздействия сточных вод

8.2.3 Оценка экологического воздействия твердых отходов

8.2.4 Мероприятия по снижению экологического ущерба

8.3 Безопасность в условиях чрезвычайных ситуаций

8.3.1 План мероприятий по защите персонала

8.3.2 План мероприятий при радиоактивном заражении объекта

9. Технико-экономическое обоснование модернизации системы электропривода прессовой части БДМ №1 ООО "Сухонского ЦБК"

9.1 Расчет калькуляции себестоимости продукции до и после модернизации электропривода прессовой части

9.2 Оценка эффективности модернизации электропривода

10. Заключение

11. Список литературы

электропривод пресс двигатель вал мощность

Введение

В настоящее время на рынке бумаги увеличивается спрос на продукцию целлюлозно-бумажных комбинатов, что вынуждает производителей бумажной продукции увеличивать производство бумаги. Увеличение производства, как правило, достигается двумя способами: введением новых производств или увеличением производительности используемого оборудования. В виду того, что организация новых производств и поточных линий требует вложение большого капитала, модернизация уже использующегося оборудования получила наибольшее распространение. В процессе модернизации, как правило, увеличивают производительность оборудования путем поднятия скорости. При этом учитываются технологические особенности производства и ставятся задачи улучшения качества выпускаемой продукции с тем, чтобы увеличить конкурентоспособность продукции.

Основанием для разработки послужил проект увеличения производительности технологического потока БДМ №1 ООО "Сухонского ЦБК" за счёт увеличения скорости и сокращения простоев. Необходимость модернизации электропривода бумагоделательной машины определяется физическим и моральным износом существующего оборудования.

Отсутствие современной системы контроля и диагностики не позволяет прогнозировать возможные неисправности оборудования, а также увеличивает время поиска и устранения возникающих неисправностей.

По завершению модернизации система автоматического управления электропривода БДМ №1 получит следующие преимущества:

- возможность оперативного регулирования соотношения нагрузок приводов прессовой части, с одновременным повышением стабильности поддержания заданного соотношения нагрузок;

- повышение удобства обслуживания приводов - отображение на пультах операторов модернизированных приводов текущих скоростей, нагрузок, технологических предупреждений и аварийных сообщений;

1. Описание технологического процесса

1.1 Назначение прессовой части бумагоделательной машины

Основное назначение прессовой части состоит в обезвоживании бумажного полотна, обеспечении качественных показателей вырабатываемой продукции и надёжности машины. При прессовании возрастает сухость, прочность и плотность бумаги.

От эффективности работы прессовой части зависят затраты на сушку бумаги и производительность машины. В целях сокращения расхода пара на сушку после прессовой части стремятся получить максимально возможную сухость. Однако повышение сухости за счёт увеличения давления между прессовыми валами приводит к увеличению затрат энергии на привод валов, что может и не скомпенсироваться снижением затрат на сушку. Кроме того, чрезмерное прессование приводит к ухудшению потребительских свойств вырабатываемой на машине продукции.

Прессовая часть рассматриваемого проекта состоит из пересасывающего устройства в которое входит пересасывающий вал, сукноведущих валов, сукномоек, а также четырехвального пресса Tri-nip состоящего из отсасывающего вала, желобчатого вала "Вента-Нип", центрального вала и вала с регулируемым прогибом "Кюстерс". Такое устройство пресса позволяет создать сразу три зоны прессования, что повышает сухость выходящего с прессовой части бумажного полотна.

1.2 Требования к электроприводу прессовой части

В зоне прессования вследствие давления, создаваемого валами, происходит отжим воды из бумажного полотна. В 1-ой зоне прессования часть отжатой воды отсасывается вакуумными камерами отсасывающего вала, а часть уносится сукном. Бумажное полотно после 1-ой зоны прессования попадает во 2-ую зону. Из 2-ой зоны прессования бумажное полотно передается в 3-ю зону где

"Кюстерс" вал настраивается таким образом чтобы создать максимально эффективную зону прессования для обезвоживания бумажного полотна.

Tri-nip пресс имеет две приводные точки. Это центральный и отсасывающий валы.

Распределение нагрузки между двигателями этих валов необходимо, для того чтобы:

- не происходил износ резинового покрытия нижнего вала пресса, вследствие возможного проскальзывания валов относительно друг друга;

- не происходило механическое повреждение бумажного полотна и сукон.

Также приводится пересасывающий вал прессовой части ввиду возможности проскальзывания сукна по его поверхности вследствие имеющееся у него вакуумной камеры.

За счет незначительной, около 0,2% разницы линейных скоростей между пересасывающим и отсасывающим валом привод создает дополнительное натяжение сукна в группе отсасывающий - пересасывающий валы.



Рис.1 Кинематическая схема прессовой части БДМ №1.

1-21 - сукноведущие валы; 22 - бумаговедущий вал; 23 - пересасывающий вал; 24 - отсасывающий вал; 25 - вал "Вента- Нип"; 26 - центральный вал; 27 - вал "Кюстерс";28-30 - щелевые сукномойки; Й - первая приводная точка; ЙЙ- вторая приводная точка; ЙЙЙ- третья приводная точка.

2. Техническое задание на модернизацию

2.1 Вводная часть

2.1.1 Цель модернизации системы

Целью модернизации является повышение производительности БДМ-1, достижение поставленной цели обеспечивают:

· повышение рабочей скорости машины по сетке до 700 м/мин;

· уменьшение обрывности за счет стабилизации скорости приводных секций машины;

· повышение надежности системы электропривода;

· сокращение потерь времени на поиск неисправностей и ремонт приводов;

· повышение качества управления системой электропривода.

2.1.2 Основные технические характеристики существующей машины

тип машины плоскосеточная

ширина сетки 4600 мм

обрезная ширина 4400 мм

вырабатываемая продукция бумага мешочная 80-110 г/м²

максимальная рабочая скорость 630 м/мин

вспомогательная скорость 30 м/мин

2.1.3 Объем модернизации

В объем модернизации по проекту входит:

· замена двигателя постоянного тока привода вала Пик-ап с установкой современного цифрового частотного преобразователя;

· замена существующих преобразователей с аналоговым управлением на современные тиристорные преобразователи постоянного тока с цифровым управлением.

· оборудование пультов управления,

· установка рабочих станции визуализации и диагностики.

· Секционные преобразователи получают задание на скорость от управляющего контроллера, на который приходят сигналы от панели оператора и от пультовых кнопок. Это позволяет сократить до минимума количество кабельных линий между пультом управления и преобразовательной подстанцией. Связь осуществляется по последовательному каналу связи PROFIBUS DP.

· В качестве датчиков скорости предполагается использовать импульсные датчики (энкодеры) промышленного исполнения.

· Система верхнего уровня позволяет контролировать скорости секций, токи нагрузки электродвигателей, состояние готовности секций к работе, неисправности привода.

2.2 Требования к электроприводу по качеству регулирования

Отклонение частоты вращения каждого секционного электродвигателя от заданного значения не должно превышать ±0.1% во всем диапазоне рабочих скоростей при изменениях:

· момента нагрузки на ±30% от среднего расчетного значения;

· напряжения питающей сети трехфазного тока на ±10%;

· частоты питающей сети трехфазного тока на ±2%;

· температуры окружающей среды на ±10%.

Привод должен обеспечивать устойчивый режим вспомогательной скорости 15 - 30 м/мин. Пуск электродвигателей на любую рабочую скорость должен выполняться плавно, без резких толчков динамического момента на валах электродвигателей на начальном и конечных участках разгона.

Ускорение для разгона принимает значения от 0,1 до 0,2 м/с².

2.3 Требования по автоматизации

2.3.1 Посты управления

· Управлять скоростью (соотношением скоростей) можно как с панелей на пультах, так и с компьютера верхнего уровня.

· Пульты управления должны содержать следующие основные аппараты и приборы:

- станцию управления с сенсорным дисплеем

- амперметры (6 шт.)

- вольтметры (2 шт.)

- кнопки "ПУСК" (функции "СИГНАЛ", "ВСПОМ. СКОРОСТЬ", "РАБ. СКОРОСТЬ")

- кнопка "ТОЛКНУТЬ"

- кнопки "СТОП"

- кнопку "Аварийный стоп"

Управление приводом может осуществляться с любого поста, при этом остальные посты блокируются.

Одновременное управление с двух постом невозможно.

2.3.2 Режим работы электропривода прессовой части

· Режим рабочей скорости;

· Режим вспомогательной скорости ( 30 об/мин);

· Толчковый режим; в этом режиме секция выходит на вспомогательную скорость только при нажатой кнопке "Толкнуть", при отпущенной кнопке "Толкнуть" секция останавливается. Толчковый режим, возможен, только когда не задан режим вспомогательной или рабочей скорости.

2.3.3 Порядок останова

При срабатывании кнопок аварийного останова снимаются управляющие импульсы с силовых ключей преобразователей и отключаются контакторы в цепях питания преобразователей прессовой части, останов приводных секций происходит на самовыбеге.

2.3.4 Виды защит

· Защита от несанкционированного доступа к изменению уставок СУ прессовой части;

· защита по максимальному току электродвигателя I_уст=2,5I_н ,

· защита при обрывах фазы первичной питающей сети;

· защита по току электродвигателя при двукратной перегрузке в течение 30 с с запретом повторного включения;

· защита при отклонении напряжения первичной питающей сети выше 10% и ниже 10% от номинального значения;

· защита при перегреве электродвигателя с последующим повторным включением (T>150 ?C).

2.3.5 Виды блокировок

· Система должна быть оборудована световой и звуковой сигнализацией, предупреждающей рабочих о пуске.

Сигнализацию следует выполнять так, чтобы длительность сигнала составляла 10 (с), по истечению которых схема управления приходит в состояние готовности к пуску и сохраняет его в течении 10-15 (с), после чего возвращается в исходное положение.

Сигнал дискретный (0, 24 В).

· Световая сигнализация о включенном питании (дискретный сигнал - "сухой контакт");

· Электрическая блокировка работы шкафа при открывании передней двери (сухой контакт);

2.4 Требования к питающему трансформатору

В качестве источника питания вводного напряжения будет использоваться уже существующий трансформатор ТС 1МВА.

Напряжение питания шкафов - 3 фазы 400В, 50Гц и будет подаваться через выкатной воздушный выключатель M-Pact 1600А.

2.5 Требования безопасности

В схеме должна быть предусмотрена предшествующая пуску электропривода звуковая сигнализация. Сигнализацию следует выполнить так, чтобы длительность сигнала составляла 5-10 сек., по истечении которых схема управления должна прийти в состояние готовности к пуску и сохранять его в течение 15 сек., после чего возвратиться в исходное положение.

Электропривод должен соответствовать требованиям "Правил устройства электроустановок" ПУЭ, 1998г.

3. Расчётная часть

На скоростные режимы секций машины и связанные с ними процессы деформации полотна в межсекционных промежутках влияет большое число факторов:

- механические параметры секций и механических передач;

- моменты нагрузки и характер их изменений во времени;

- прочностные свойства влажного и сухого полотна в межсекционных промежутках;

- параметры электропривода и регуляторов;

- изменение величины напряжения и частоты.

В дипломном проекте для расчёта мощности двигателя используется метод поэлементных тяговых усилий. Метод поэлементных тяговых усилий даёт возможность учесть особенности конструкции и работы машины. Чтобы определить расход мощности, необходимо знать нагрузки на подшипники, диаметры цапф и валов, коэффициенты трения в подшипниках, трение отсасывающих ящиков о сукно. Точность определения мощности зависит от правильности выбора коэффициентов трения скольжения и качения.

3.1 Поэлементный расчет мощности двигателей прессовой части БДМ

3.1.1 Определение мощности двигателя пересасывающего вала

Расчет тяговых усилий для преодоления трения в подшипниках сукноведущих валов.

Расчет массы сукноведущего вала:

m₁ - масса корпуса сукноведущего вала;

m₂ - масса патрона сукноведущего вала:

m₃ - масса шейки сукноведущего вала:

m₄ - масса крышки сукноведущего вала:

- внешний диаметр сукноведущего вала;

- внутренний диаметр сукноведущего вала;

- плотность стали сукноведущего вала;

b=4950 мм - длинна корпуса сукноведущего вала;

Рис.2 Схема действия сил на группу отсасывающий - пересасывающий валы прессовой части БДМ №1.

Й - первая приводная точка; ЙЙ- вторая приводная точка.

Результаты сведем в таблицу:

Таблица №1

N	1	2	3	4	5	6
	990	1120	470	130	1490	40
Н	4,55	3,91	6,42	6,96	1,87	7

Q_{0сукн.вала} - общая нагрузка на сукноведущий вал;

Результаты сведем в таблицу:

Таблица №2

N	1	2	3	4	5	6
	600	460	940	840	110	920
Н	6611,26	6612,14	6608,68	6609,47	6613,46	6608,84

- тяговое усилие для преодоления трения в подшипниках сукноведущих валов;

где - коэффициент трения; - диаметр цапфы сукноведущего вала; - внешний диаметр сукноведущего вала;



Расчет тяговых усилий для преодоления трения в щелевых сукномойках.

- тяговое усилие для преодоления трения в сукномойке;

,где

- коэффициент трения между крышкой сукномойки и сукном (материал полиамид); - площадь живого сечения щелевой сукномойки; - ширина щели щелевой сукномойки, - длина щели щелевой сукномойки; - величина вакуума щелевой сукномойки.

Расчет тяговых усилий для преодоления трения в подшипниках пересасывающего вала.

Расчет массы пересасывающего вала: m₁ - масса корпуса пересасывающего вала; m₂ - масса цапфы приводной стороны пересасывающего вала: m₃ - масса отсасывающей камеры пересасывающего вала: m₄ - масса цапфы лицевой стороны пересасывающего вала: - внешний диаметр пересасывающего вала; - внутренний диаметр пересасывающего вала; - плотность стали пересасывающего вала; b=4950 мм - длинна корпуса пересасывающего вала;

- тяговое усилии для преодоления трения в подшипниках пересасывающего вала;

,где

- коэффициент трения; - диаметр цапфы пересасывающего вала; - внешний диаметр пересасывающего вала;

Расчет тягового усилия для преодоления трения между уплотнениями и цилиндром пересасывающего вала.

,где

 - удельное давление уплотнений при пневматическом прижиме;

- площадь соприкосновения уплотнения с вращающейся поверхностью пересасывающего вала;

- ширина щели отсасывающей камеры пересасывающего вала;

- длина щели отсасывающей камеры пересасывающего вала;

- ширина большого уплотнения отсасывающей камеры пересасывающего вала;

- ширина маленького уплотнения отсасывающей камеры пересасывающего вала;

- коэффициент трения между уплотнением и внутренней поверхностью пересасывающего вала;

- диаметр поверхности трения пересасывающего вала;

- наружный диаметр пересасывающего вала;

Расчет тягового усилия для преодоления трения шабера о пересасывающий вал.

,где

- коэффициент трения шабера о вал;

- линейное давление между шабером и валом;

- длина соприкосновения шабера с пересасывающим валом;

Расчет полного тягового усилия для пересасывающего вала.

Расчет тягового усилия для двигателя пересасывающего вала.

Расчет максимальной мощности двигателя пересасывающего вала.

.где

- коэффициент скорости;

- фактическая скорость машины;

-коэффициент максимума;

- скорость прессовой части;

- тяговые усилия двигателя пересасывающего вала;

3.1.2 Определение мощности двигателя отсасывающего вала

Рис.3 Схема действия сил на вал "Вента - Нип" и сукноведущий вал прессовой части БДМ №1.

Расчет тяговых усилий для преодоления трения в подшипниках сукноведущих валов.

Результаты сведем в таблицу:

Таблица №3

N	13	14	15	16	17	18	19	20	21
	40	660	630	80	1520	550	840	690	780
Н	7	5,87	5,97	6,98	1,69	6,21	5,2	5,77	5,44

Q_{0сукн.вала} - общая нагрузка на сукноведущий вал;



Результаты сведем в таблицу:

Таблица №4

N	13	14	15	16	17	18	19	20	21
	1490	1220	1210	280	1040	560	1490	560	400
Н	6603	6605	6605	6615	6608	6612	6604	6612	6613

- тяговое усилие для преодоления трения в подшипниках сукноведущих валов;

,где

- коэффициент трения;

- диаметр цапфы сукноведущего вала;

- внешний диаметр сукноведущего вала;

Расчет тяговых усилий для преодоления трения в щелевых сукномойках.

 - тяговое усилие для преодоления трения в сукномойке;

Расчет тяговых усилий для преодоления трения в подшипниках вала "Вента-Нип".

Расчет массы вала:

m₁ - масса корпуса вала "Вента-Нип";

m₂ - масса патрона вала "Вента-Нип":

m₃ - масса шейки вала "Вента-Нип" :

m₄ - масса крышки вала "Вента-Нип":

- внешний диаметр вала "Вента-Нип";

- внутренний диаметр вала "Вента-Нип";

- плотность стали вала "Вента-Нип";

b=4750 мм - длинна корпуса вала "Вента-Нип";

,где

- линейное давление в 1-ой зоне прессования;

- тяговое усилие для преодоления трения в подшипниках вала

"Вента-Нип";

,где

- коэффициент трения;

- диаметр цапфы вала "Вента-Нип";

- внешний диаметр вала "Вента-Нип";

Расчет тягового усилия для преодоления трения шабера о вал "Вента-Нип".

,где

- коэффициент трения шабера о вал;

- линейное давление между шабером и валом;

- длина соприкосновения шабера с пересасывающим валом;

Расчет полного тягового усилия для вала "Вента-Нип".



Расчет тяговых усилий для преодоления трения в подшипниках отсасывающего вала.

Расчет массы вала:

m₁ - масса корпуса отсасывающего вала;

m₂ - масса отсасывающей камеры:

m₃ - масса приводной цапфы отсасывающего вала :

m₄ - масса лицевой цапфы отсасывающего вала:

- внешний диаметр отсасывающего вала;

- внутренний диаметр отсасывающего вала;

- плотность стали отсасывающего вала;

b=5150 мм - длинна корпуса отсасывающего вала;

,где

- линейное давление в 1-ой зоне прессования;

,где

- линейное давление во 2-ой зоне прессования;



- тяговое усилие для преодоления трения в подшипниках отсасывающего вала;

,где

- коэффициент трения;

- диаметр цапфы отсасывающего вала;

- внешний диаметр отсасывающего вала;

Расчет тягового усилия для преодоления трения между уплотнениями и цилиндром отсасывающего вала.

 ,где

- удельное давление уплотнений при пневматическом прижиме;

- площадь соприкосновения уплотнения с вращающейся поверхностью отсасывающего вала;

- ширина щели первой +третьей отсасывающей камеры отсасывающего вала;

- ширина щели второй отсасывающей камеры отсасывающего вала;

- длина щели отсасывающей камеры отсасывающего вала;

- ширина большого уплотнения отсасывающей камеры отсасывающего вала;

- ширина маленького уплотнения отсасывающей камеры отсасывающего вала;

- коэффициент трения между уплотнением и внутренней поверхностью

пересасывающего вала;

- диаметр вращающейся поверхности трения отсасывающего вала;

- наружный диаметр пересасывающего вала;



Расчет тягового усилия для преодоления трения шабера об отсасывающий вал.

,где

- коэффициент трения шабера о вал;

- линейное давление между шабером и валом;

- длина соприкосновения шабера с отсасывающим валом;

Расчет полного тягового усилия для отсасывающего вала.

Расчет тягового усилия для преодоления трения качения между валами.

,где

- коэффициент трения качения между валами;

кгс - давление между валами;

см - диаметр нижнего вала;

см - диаметр верхнего вала;

-тяговое усилие на преодоления трения качения между валами "Вента-Нип" и отсасывающим;

,где

- давление между валами "Вента-Нип" и отсасывающим; - диаметр вала "Вента-Нип"; - диаметр отсасывающего вала;

-тяговое усилие на преодоления трения качения между валами центральным и отсасывающим;

,где

- давление между валами центральным и отсасывающим;

- диаметр центрального вала;

- диаметр отсасывающего вала;

Расчет тягового усилия для двигателя отсасывающего вала.

Расчет максимальной мощности двигателя отсывающего вала.

.где

- коэффициент скорости;

- фактическая скорость машины;

-коэффициент максимума;

- скорость прессовой части;

- тяговые усилия двигателя пересасывающего вала;

3.1.3 Определение мощности двигателя центрального вала

Расчет тяговых усилий для преодоления трения в подшипниках сукноведущих валов.

Результаты сведем в таблицу:

Таблица №5

N	7	8	9	10	11	12
	830	650	900	250	1490	40
Н	5,2	5,9	4,9	6,8	1,8	7

Рис.4 Схема действия сил на центральный вал и вал "Кюстерс" прессовой части БДМ №1.

ЙЙЙ- третья приводная точка.

Q_{0сукн.вала} - общая нагрузка на сукноведущий вал;

Результаты сведем в таблицу:

Таблица №6

n	7	8	9	10	11	12
	1710	820	720	780	110	920
Н	6603,8	6609,8	6610,5	6610,4	6610,8	6608,8

- тяговое усилие для преодоления трения в подшипниках сукноведущих валов;

,где

- коэффициент трения;

- диаметр цапфы сукноведущего вала;

- внешний диаметр сукноведущего вала;

Расчет тяговых усилий для преодоления трения в щелевых сукномойках.

Расчет тяговых усилий для преодоления трения в подшипниках центрального вала.

Расчет массы вала:

m₁ - масса корпуса центрального вала;

m₂ - масса патрона центрального вала:

m₃ - масса цапфы центрального вала:

m₄ - масса крышки центрального вала:

- внешний диаметр центрального вала;

- внутренний диаметр центрального вала;

- плотность стали центрального вала;

b=4700 мм - длинна корпуса центрального вала;

,где

- линейное давление во 2-ой зоне прессования;

,где

- линейное давление в 3-ей зоне прессования;

 - тяговое усилии для преодоления трения в подшипниках центрального вала;

,где

- коэффициент трения;

- диаметр цапфы центрального вала;

- внешний диаметр центрального вала;

Расчет тягового усилия для преодоления трения шабера о центральный вал.

,где

- коэффициент трения шабера о вал;

- линейное давление между шабером и валом;

- длина соприкосновения шабера с центральным валом;

Расчет полного тягового усилия для центрального вала.

Расчет тяговых усилий для преодоления трения в подшипниках вала

"Кюстерс".

Расчет массы вала:

m₁ - масса корпуса вала "Кюстерс";

m₂ - масса внутреннего трубчатого вала "Кюстерс";

m₃ - масса приводной цапфы вала "Кюстерс";

m₄ - масса крышки+подшипников вала "Кюстерс";

- внешний диаметр вала "Кюстерс";

- внутренний диаметр вала "Кюстерс";

- плотность стали вала "Кюстерс";

b=5025 мм - длинна корпуса вала "Кюстерс";

,где

- линейное давление в 3-ей зоне прессования;

- тяговое усилие для преодоления трения в подшипниках вала

"Кюстерс";

 ,где

- коэффициент трения;

- диаметр цапфы вала "Кюстерс";

- внешний диаметр вала "Кюстерс";

Расчет тягового усилия для преодоления трения шабера о вал "Кюстерс".

,где

- коэффициент трения шабера о вал; - линейное давление между шабером и валом; - длина соприкосновения шабера с пересасывающим валом;

Расчет полного тягового усилия для вала "Кюстерс".

Расчет тягового усилия для преодоления трения качения между валами.

-тяговое усилие на преодоления трения качения между валами центральным и отсасывающим;

 ,где

- давление между валами центральным и отсасывающим;

- диаметр центрального вала;

- диаметр отсасывающего вала;

-тяговое усилие на преодоления трения качения между валами центральным и "Кюстерс";

,где

- давление между валами центральным и "Кюстерс";

- диаметр центрального вала;

- диаметр вала "Кюстерс";

Расчет тягового усилия для двигателя центрального вала.



Расчет максимальной мощности двигателя центрального вала.

.где

- коэффициент скорости;

- фактическая скорость машины;

-коэффициент максимума;

- скорость прессовой части;

- тяговые усилия двигателя пересасывающего вала;

3.1.4 Определение моментов инерции валов

,где

m_i - масса детали в кг;

D - диаметр в м;

Определение момента инерции сукноведущего вала.

- масса корпуса сукноведущего вала;

- масса патрона сукноведущего вала:

- масса шейки сукноведущего вала:

- внешний диаметр корпуса сукноведущего вала;

- внутренний диаметр корпуса сукноведущего вала;

- внешний диаметр патрона сукноведущего вала;

- внутренний диаметр патрона сукноведущего вала;

- диаметр шейки сукноведущего вала;

- момент инерции корпуса сукноведущего вала;

- момент инерции патрона сукноведущего вала;

- момент инерции шейки сукноведущего вала;

- момент инерции сукноведущего вала;

Определение момента инерции пересасывающего вала.

- масса корпуса пересасывающего вала;

- масса лицевой цапфы пересасывающего вала:

- масса приводной цапфы пересасывающего вала:

- внешний диаметр корпуса пересасывающего вала;

- внутренний диаметр корпуса пересасывающего вала;

- внешний диаметр лицевой цапфы пересасывающего вала;

- внутренний диаметр лицевой цапфы пересасывающего вала;

- диаметр приводной цапфы пересасывающего вала;

- момент инерции корпуса пересасывающего вала;

- момент инерции лицевой цапфы пересасывающего вала;

- момент приводной цапфы пересасывающего вала;

- момент инерции пересасывающего вала;

Определение момента инерции отсасывающего вала.

- масса корпуса отсасывающего вала;

- масса лицевой цапфы отсасывающего вала:

- масса приводной цапфы отсасывающего вала :

- внешний диаметр корпуса отсасывающего вала;

- внутренний диаметр корпуса отсасывающего вала;

- внешний диаметр лицевой цапфы отсасывающего вала;

- внутренний диаметр лицевой цапфы отсасывающего вала;

- диаметр приводной цапфы отсасывающего вала;

- момент инерции корпуса отсасывающего вала;

- момент инерции лицевой цапфы отсасывающего вала;

- момент приводной цапфы отсасывающего вала;

- момент инерции отсасывающего вала;

Определение момента инерции вала "Вента-Нип".

- масса корпуса вала "Вента-Нип";

- масса патрона вала "Вента-Нип":

- масса шейки вала "Вента-Нип" :

- внешний диаметр корпуса вала "Вента-Нип";

- внутренний диаметр корпуса вала "Вента-Нип";

- внешний диаметр патрона вала "Вента-Нип";

- внутренний диаметр патрона вала "Вента-Нип";

- диаметр шейки вала "Вента-Нип";

- момент инерции корпуса вала "Вента-Нип";

- момент инерции патрона вала "Вента-Нип";

- момент инерции шейки вала "Вента-Нип";

- момент инерции вала "Вента-Нип";

Определение момента инерции центрального вала.

- масса корпуса центрального вала;

- масса патрона центрального вала:

- масса шейки центрального вала:

- внешний диаметр корпуса центрального вала;

- внутренний диаметр корпуса центрального вала;

- внешний диаметр патрона центрального вала ;

- внутренний диаметр патрона центрального вала;

- диаметр шейки центрального вала;

- момент инерции корпуса центрального вала;

- момент инерции патрона центрального вала;

- момент инерции шейки центрального вала;

- момент инерции центрального вала;

Определение момента инерции вала "Кюстерс".

- масса корпуса вала "Кюстерс"; - масса приводной цапфы вала "Кюстерс"; - внешний диаметр корпуса вала "Кюстерс"; - внутренний диаметр корпуса вала "Кюстерс"; - диаметр приводной цапфы вала "Кюстерс"; - момент инерции корпуса вала "Кюстерс";



- момент инерции шейки вала "Кюстерс";

- момент инерции вала "Кюстерс";

3.1.5 Расчет угловых скоростей валов

,где

- линейная скорость секции машины м/мин;

- внешний диаметр корпуса вала м;

Расчет угловой скорости сукноведущего вала.

,где

- линейная скорость прессовой части машины;

- внешний диаметр корпуса сукноведущего вала;

Расчет угловой скорости пересасывающего вала.

 ,где

- линейная скорость прессовой части машины;

- внешний диаметр корпуса пересасывающего вала;

Расчет угловой скорости отсасывающего вала.

,где

- линейная скорость прессовой части машины;

- внешний диаметр корпуса отсасывающего вала;

Расчет угловой скорости вала "Вента-Нип".

,где

- линейная скорость прессовой части машины;

- внешний диаметр корпуса вала "Вента-Нип";

Расчет угловой скорости центрального вала.

,где

- линейная скорость прессовой части машины;

- внешний диаметр корпуса центрального вала;

Расчет угловой скорости вала "Кюстерс".

 ,где

- линейная скорость прессовой части машины;

- внешний диаметр корпуса вала "Кюстерс";

3.1.6 Расчет угловых скоростей двигателей

,где

- линейная скорость секции машины м/мин; - внешний диаметр корпуса вала м; - передаточное отношение редуктора;

Расчет угловой скорости для двигателя 1-ой приводной точки.

,где

- линейная скорость прессовой части машины;

- внешний диаметр корпуса пересасывающего вала;

- передаточное отношение редуктора;

Расчет угловой скорости для двигателя 2-ой приводной точки.

,где

- линейная скорость прессовой части машины;

- внешний диаметр корпуса отсасывающего вала;

- передаточное отношение редуктора;

Расчет угловой скорости для двигателя 3-ей приводной точки.

,где

- линейная скорость прессовой части машины;

- внешний диаметр корпуса центрального вала;

- передаточное отношение редуктора;

3.1.7 Расчёт приведённых моментов инерции

Из необходимости равенства кинетических энергий исходной механической системы и приведённой механической системы следует:

где, момент инерции i-го элемента кинематической схемы относительно собственной оси, ; угловая скорость двигателя, ; угловая скорость вала, ;

далее упростим выражение и получим окончательную формулу для расчета приведённых моментов инерции механической системы.

Определение приведенного момента инерции для двигателя 1-й приводной точки.

Определение приведенного момента инерции для двигателя 2-й приводной точки.

Определение приведенного момента инерции для двигателя 3-й приводной точки.

3.1.8 Расчёт динамической мощности для разгона валов

 - момент инерции относительно собственной оси вала ;

- угловая скорость вала ;

- время разгона бумагоделательной машины;

Расчёт динамической мощности для разгона сукноведущего вала.

- момент инерции относительно собственной оси сукноведущего вала; - угловая скорость вала;

Расчёт динамической мощности для разгона пересасывающего вала.

- момент инерции относительно собственной оси пересасывающего вала; - угловая скорость пересасывающего вала;

Расчёт динамической мощности для разгона отсасывающего вала.

- момент инерции относительно собственной оси отсасывающего вала; - угловая скорость отсасывающего вала;

Расчёт динамической мощности для разгона вала "Вента-Нип".



- момент инерции относительно собственной оси вала "Вента-Нип"; - угловая скорость вала "Вента-Нип";

Расчёт динамической мощности для разгона центрального вала.

- момент инерции относительно собственной оси центрального вала; - угловая скорость центрального вала;

Расчёт динамической мощности для разгона вала "Кюстерс".

- момент инерции относительно собственной оси вала "Кюстерс"; - угловая скорость вала "Кюстерс";

Расчёт динамической мощности для двигателя пересасывающего вала.

Расчёт динамической мощности для двигателя отсасывающего вала.

Расчёт динамической мощности для двигателя центрального вала.

3.1.9 Расчет полной мощности двигателей

Расчёт полной мощности для двигателя пересасывающего вала.

Расчёт полной мощности для двигателя отсасывающего вала.

Расчёт полной мощности для двигателя центрального вала.

3.1.10 Определение моментов сопротивления электродвигателей

,где

- тяговое усилие для двигателя вала кгс;

- диаметр вала м;

- коэффициент редукции;

Определение момента сопротивления для электродвигателя 1-ой приводной точки.

 ,где

- тяговое усилие для двигателя пересасывающего вала; - диаметр пересасывающего вала; - коэффициент редукции;

Определение момента сопротивления для электродвигателя 2-ой приводной точки.

,где

- тяговое усилие для двигателя отсасывающего вала;

- диаметр отсасывающего вала; - коэффициент редукции;

Определение момента сопротивления для электродвигателя 3-ей приводной точки.

,где

- тяговое усилие для двигателя отсасывающего вала;

- диаметр центрального вала; - коэффициент редукции;

3.2 Выбор двигателей

Исходя из расчета мощности для двигателей прессовой части БДМ, выбираем: для 1-ой приводной точки двигатель переменного тока общепромышленного назначения 5АМ250М6.

Таблица №7

Название параметра двигателя	Параметры двигателя
Тип двигателя	5АМ250М6
Номинальное напряжение питания (Uн)	380 В
Номинальная мощность (Pн)	55 кВт
Номинальная частота вращения (nн)	1476 об/мин
Номинальный ток статора (Iн)	104 А
Номинальный момент (Mн)	356 Н•м
КПД (з)	93 %
Mп/Mн	2,2
Mmax/Mн	2,5
	0,86
Iп/Iн	6,5
Момент инерции (Jдв)	0,5 кг•м2
Количество пар полюсов (p0)	2
Степень защиты (IP)	IP54

Для 2-ой и 3-ей приводных точек мы оставляем старые двигатели постоянного тока PXOMf126a, так как они полностью удовлетворяют нашим условиям.

Таблица №8

Название параметра двигателя	Параметры двигателя
Тип двигателя	PXOMf126a
Номинальное напряжение питания (Uн)	440 В
Номинальная мощность (Pн)	248 кВт
Номинальная частота вращения (nн)	1307 об/мин
КПД	91,3 %
Номинальный ток якоря (Iн)	611 А
Номинальный момент (Mн)	1833 Н•м
Iп/Iн	2
Mmax/Mн	1,8
Ток возбуждения (Iв)	8,6 А
Напряжение возбуждения (Uв)	220 В
Активное сопротивление якорной цепи при (Rа)	0,04 Ом
Индуктивное сопротивление якорной цепи (Lа)	1,43 мГн
Момент инерции (Jдв)	3,8 кг•м2

3.3 Выбор датчика скорости

Для двигателей выбираем датчики скорости марки Siemens. Параметры датчика скорости приведены в таблице ниже:

Таблица №9

Название параметра датчика скорости	Параметры датчика скорости
Тип энкодера	6SL3055-0AA00-5CA2
Кол-во импульсов на 1 оборот (имп/об)	4000
Напряжение питания (B, +)	20.4-28.8
Потребляемый ток (мА, 5 В / 24 В)	30 / 40
Выходной интерфейс	0.20 мА
Устойчивость к вибрации и ударам	100g
Нагрузка на вал (H, радиальная / осевая):	радиальн. 10N, аксиальн. 5N
Рабочая температура (°С)	от -10 до +60С
Степень защиты (IP)	IP20

Считаем датчик безинерционным, так как велико количество импульсов на один оборот.

3.4 Выбор тиристорнго преобразователя

Основные критерии выбора преобразователя:

1. мощность преобразователя должна быть больше или равна мощности

потребляемой электромашиной.

2. максимальное выходное напряжение преобразователя равно или больше на 10% напряжения питания электромашины.

3. максимальный выходной ток больше номинального тока электромашины. Учесть режимы работы электромашины при перегрузке.

4. наличие встроенного цифрового контура тока.

5. наличие ПИ - регулятора, для формирования контура скорости.

6. наличие входа для датчика скорости.

7. наличие аналогового входа для задания значения тока или скорости.

8. наличие цифровых программируемых входов и выходов для обмена данными между преобразователем и управляющим контроллером.

Выбираем преобразователи переменного напряжения в постоянное, серии SIEMENS AG SIMOREG DC MASTER.

Параметры тиристорного преобразователя указаны в таблице:

Таблица №10

Название параметра тиристорного преобразователя	Параметры тиристорного преобразователя
Тип преобразователя	6RA70
Номинальное напряжение,	460 В
Выходное напряжение цепи якоря	3АС 460 В (+15%/-20%)
Выходное напряжение цепи возбуждения	460 В
Номинальный выходной ток	850 А
Максимальный. ток (при перегрузке)	1200 А
Ток возбуждения	30 А
Частота питающего напряжения	50/60 Гц

• Описание встроенных контуров регулирования.
• Тиристорные преобразователи серии Simoreg имеют встроенные контура регулирования:
• - контур тока якорной цепи.
• - контур скорости.
• Контур тока якорной цепи является цифровым и самонастраивающимся. Регулятор пропорционально - интегральный. Контур скорости является цифровым. Есть возможность как самонастройки, так и ручной настройки. Регулятор имеет как пропорциональную и интегральную составляющие при необходимости можно отключить одну из составляющих.

3.5 Выбор частотного преобразователя

Для двигателя пересасывающего вала выбираем преобразователь частоты "ABB" мощностью 55 кВт.

Параметры частотного преобразователя указаны в таблице:

Таблица №11

Название параметра частотного преобразователя	Параметры частотного преобразователя
Тип преобразователя	ACS800-01-0060-3
Напряжение питания, (Uc)	380-440 В
Выходное напряжение, (Uн)	от 0 до Uc В
Номинальный выходной ток (Iн)	138 А
Базовый ток нагрузки, (Iб)	103 А
Ток перегрузки Iмакс1 (длительность цикла не менее 300с) Iмакс2	1,38* Iн для 60с 1,6* Iн для 30 с
Номинальный входной ток (Iс,)	94 А
Частота питающего напряжения, (fc)	50/60 Гц
Коэффициент мощности, ()	от -0.8 до 0,8
КПД, (з)	96%
Степень защиты (IP)	IP21

4. Система автоматического управления

4.1 Расчет регуляторов для первой приводной точки

Расчет регуляторов для системы векторного управления производится по упрощенным однолинейным контурам потокосцепления и скорости с внутренними контурами тока.

Для расчета регуляторов САР требуются значения структурной схемы асинхронного двигателя. В таблице №12 приведена сводная информация, полученная из каталога двигателей.

Таблица №12

Наименование параметра	Значение параметра
Мощность, Рном	55 кВт
Ток номинальный, Iном	104 А
Количество пар полюсов, pп	2
Активное сопротивление статора, Rs	0,05589 Ом
Активное сопротивление ротора, Rr	0,03044 Ом
Взаимная индуктивность, Lm	0,02824 Гн
Индуктивность обмотки статора, Ls	0,02881 Гн
Индуктивность обмотки ротора, Lr	0,02915 Гн

у - коэффициент рассеяния двигателя,

Найдем постоянные времени обмоток статора и ротора:

- эквивалентная постоянная времени контура регулирования.

Проводить синтез регуляторов будем по структурной схеме динамической модели системы векторного управления асинхронным электроприводом представленной на рис.5.

Рис.5. Структурная схема модели системы векторного управления в осях (б - в)

4.1.1 Настройка канала регулирования потокосцепления

Воспользуемся структурной схемой упрощенного канала регулирования потокосцепления ротора двигателя.

Рис. 6. Структура канала регулирования потокосцепления ротора асинхронного двигателя с двумя ПИ-регуляторами

Предварительный расчет параметров регуляторов может быть выполнен по приближенным формулам для регулятора составляющей тока статора тока i_s1 РТ1:



Расчетные настройки ПИ-регулятора РШ имеют вид:

4.1.2 Настройка канала регулирования скорости

Рис.7 Двухконтурная схема канала регулирования частоты вращения ротора двигателя с ПИ-регулятором скорости

Расчетные настройки ПИД-регулятора РТ2 имеют вид:



Коэффициент усиления регулятора скорости РС для структурной схемы канала регулирования скорости можно определить по формуле:

где J_У - суммарный момент инерции ротора двигателя и подвижной части механизма.

4.2 Расчет регуляторов для второй и третьей приводных точек

4.2.1 Расчет и настройка контура тока

Так как для 2-ой и 3-ей приводных точек пресса выбраны два одинаковых электродвигателя, то настройку контура тока будем производить для одного электродвигателя, считая, что все расчеты и результаты справедливы и для второго.

Рис.8. Структурная схема контура тока.

В контур тока рассматриваемой системы входят регулятор, тиристорный преобразователь, якорная цепь двигателя и датчик тока. Задание, подаваемое на регулятор, примем равным 10(В) В.

В структурной схеме тиристорный преобразователь представлен апериодическим звеном 1-го порядка с передаточной функцией:

где,

- среднее значение ЭДС преобразователя при угле управления равном нулю (=440 В).

Постоянная времени где

- постоянная времени, учитывающая запаздывание в силовой цепи тиристорного преобразователя(=3,3мс).

Передаточная функция тиристорного преобразователя примет вид:

Модель датчика тока представим усилительным звеном с передаточной функцией:

где

- перегрузочная способность двигателя по току (=1,7).

Тогда получаем передаточную функцию датчика тока:

В структурной схеме якорная цепь ДПТ представляем апериодическим звеном с передаточной функцией:



Поскольку быстродействие контура тока высокое, это дает возможность пренебречь отрицательной обратной связью (ОС) по ЭДС и рассматривать динамику контура тока не зависимо от динамики контура ЭДС.

Где

- активное сопротивление якорной цепи при 115⁰С (=0,04 Ом).

Постоянная времени якорной цепи определяется по формуле:

где,

- индуктивность якорной цепи (=1,43 мГн).

Передаточная функция якорной цепи двигателя примет вид:

Рассчитаем параметры регулятора контура тока при условии, что контур будем настраивать на модульный оптимум.

Передаточная функция разомкнутого контура, настроенного на модульный оптимум имеет вид:



Используем ПИ-регулятор, который имеет передаточную функцию

;

где,

Тогда передаточная функция регулятора имеет вид:

Представим передаточную функцию в виде:

где, .

Окончательно передаточная функция регулятора тока примет вид:

Передаточная функция замкнутого контура тока имеет вид:

;

При подстановке переменных и её упрощении мы получим следующее выражение:

Что бы упростить дальнейшие вычисления, пренебрегают значительно малыми в сравнении с значениями . В итоге получается апериодическое звено:

Подставим значения и получим:



Рис.9. Переходные характеристики реального (1) и упрощенного контура токов (2).

На рис.9 представлены два переходных процесса: переходный процесс реального контура тока и переходный процесс упрощенного контура тока.

Как видим, динамика процессов практически одинакова. У переходного процесса упрощенного контура тока нет только перерегулирования, а в основном он повторяет переходный процесс реального контура тока, следовательно, мы можем использовать упрощенную передаточную функцию контура тока, в дальнейших расчетах.

4.2.2 Расчёт параметров структурной схемы контура скорости для второй приводной точки

Рис.10. Структурная схема контура скорости.

На приведённой структурной схеме приняты следующие обозначения:

U_зад - напряжение задания контура скорости;

W_рс - передаточная функция регулятора контура скорости;

K_М, K_Е - постоянные двигателя;

W_мех - передаточная функция механической части электропривода наката;

W_дс - передаточная функция датчика скорости;

М_с - момент сопротивления механизма;

щ - угловая скорость двигателя.

Контур регулирования скорости привода, в отличии от контура тока, настраивается на СО, т.к. точка приложения возмущения по моменту находится перед интегрирующим звеном, а это при настройке на МО приводит к появлению статической ошибки, что недопустимо по условию технического задания.

Определим значение :

где,

В системе СИ

Модель датчика скорости представим усилительным звеном с передаточной функцией:

где

Тогда получаем передаточную функцию датчика скорости:

Найдём передаточную функцию механической части для электродвигателя 2-ой приводной точки.

W_мех2 представляет собой интегрирующее звено.

где,

J_У2 - суммарный момент инерции ротора двигателя и подвижной части механизма для второй приводной точки.

Тогда передаточная функция механической части будет иметь вид;



Определим параметры ПИ- регулятора:

Найдём

Подставим значения и получим:

4.2.3 Расчёт параметров структурной схемы контура скорости для третьей приводной точки

Найдём передаточную функцию механической части для электродвигателя 3-ей приводной точки.

W_мех3 представляет собой интегрирующее звено.



где,

J_У3 - суммарный момент инерции ротора двигателя и подвижной части механизма для третьей приводной точки.

Тогда передаточная функция механической части будет иметь вид;

Определим параметры ПИ- регулятора:

Найдём