Проектирование системы стабилизации скорости электропривода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Для обеспечения требований предъявляемых к приводу необходимо провести анализ систем управления электроприводов. Рассмотрим системы электроприводов на базе асинхронного двигателя и двигателя постоянного тока.

Асинхронный электропривод нашел применение почти во всех областях современной промышленности, где не требуется регулировать скорость вращения вала двигателя. В силу своей простоты и надежности намного дешевле остальных типов приводов. Основная сложность внедрения асинхронного электропривода заключается в невозможности регулировать скорость вала в широком диапазоне скоростей в тех механизмах, где это необходимо. Существует три способа регулирования скорости вала асинхронного двигателя:

- изменением величины питающего напряжения;

- введением регулировочных реостатов для асинхронного двигателя с фазным ротором;

- использование преобразователей частоты (ПЧ).

В настоящее время широко внедряется способ регулирования частоты вращения вала двигателя, путем изменения частоты питающего напряжения на обмотках статора машины (система электропривода - ПЧ-АД). Данная система электропривода позволяет выполнить все требования предъявляемые к электроприводу. Принцип подчиненного регулирования состоит в том, для каждого из регулируемых параметров: тока, скорости и, если нужно, положения, организуется свой контур регулирования, содержащий объект регулирования, регулятор и отрицательную обратную связь по регулируемому параметру. Автоматизация и электрификация всех отраслей народного хозяйства приводит к облегчению труда рабочих. Производственные механизмы прошли длительный путь своего развития, прежде чем приняли вид современных машин.

Автоматизация технологического процесса - применение энергии неживой природы в технологическом процессе или его составных частях для их выполнения и управления ими без непосредственного участия людей, осуществляемое в целях сокращения трудовых затрат, улучшения условий производства, повышения объёма выпуска и качества продукции.

Современное производство характеризуется широким внедрением автоматизированных электроприводов, которые являются основой для автоматизации и механизации технологического оборудования.

Современный производственный агрегат состоит из большого числа разнообразных блоков, выполняющих различные функции. Все они совершают работу, направленную на обеспечение поддержания необходимых условий технологического процесса.

Целью данного курсового проекта является проектирование системы стабилизации скорости электропривода.

В задании на курсовое проектирование в качестве исполнительного двигателя задан двигатель 2ПН160М.

Основные технические параметры двигателя 2ПН160М приведены в таблице 1.

Таблица 1- Технические параметры двигателя

Параметры	Единицы измерения	Значения
Номинальное напряжение	В	440
Номинальная мощность	кВт	18
Номинальная скорость	Об/мин	3150
КПД	%	87,5
Добавочное сопротивление	Ом	0,101
Сопротивление якоря	Ом	0,145
Индуктивность якоря	мГн	4
Cопротивление ОВ	Ом	12,6
Момент инерции	кг·м2	0,33

1. Разработка структурной схемы ЭП

Структурные схемы определяют основные функциональные части установки, их назначение и взаимосвязи и служат для общего ознакомления с установкой и ее основными элементами. На структурных схемах составные части установки изображают упрощенно в виде прямоугольников или условных графических обозначений. Графическое построение схемы должно давать четкое представление взаимодействия функциональных частей в изделии. Направление хода процессов, входящих в изделие обозначают стрелками на линиях взаимосвязей. На схеме должны быть указаны наименования каждой функциональной части изделия, которые рекомендуется вписывать внутрь прямоугольников. Допускается на схеме помещать поясняющие надписи, диаграммы, таблицы, определяющие последовательность процессов во времени, а также указывать параметры в характерных точках. Условные графические обозначения элементов и прямоугольники на структурных схемах вычерчивают линиями равными по толщине линиям электрической связи.

На структурной схеме указаны и приведены к визуализации основные узлы контроля за функционированием контролей электроприводов.

В структурной схеме указаны:

- обратные связи;

- условные графические обозначения выходных и входных напряжений, поступающих на входы и выходы элементов блок схем;

- контуры и направления хода электрического тока.

Структурная схема представлена в графической части проекта КП ЭП.00.00.000 Э1.

2. Разработка функциональной схемы ЭП

Функциональные схемы являются дальнейшим развитием структурных схем и служат для сообщения более широкой информации об объекте. С помощью функциональных схем поясняются процессы, происходящие в отдельных элементах установки. На схеме изображают функциональные части установки, участвующие в процессе, иллюстрируемом схемой, и связи между ними. Функциональные части изображают условными графическими изображениями и прямоугольниками. На схеме допускается изображать элементы подключения. Графическое построение схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности процессов в установке и принципе ее действия. Последовательность представления функционального процесса, изображенного на схеме, слева направо и сверху вниз. На схеме для функциональных групп и устройств изображенных прямоугольниками, должны быть указаны присвоенные обозначения и наименования, которые рекомендуется вписывать в прямоугольники. Для устройств и элементов, изображенных, в виде условных графических обозначений указывают позиционное обозначение. Допускается приводить на схеме сокращенные или условные наименования, которые следует пояснять на поле схемы или в пояснительной записке. На схеме рекомендуется указывать технические характеристики функциональных частей, параметры, формы импульсов, величины токов и напряжений. Допускается изображать точки измерения и контроля с указанием характерных параметров.

Функциональная схема разрабатывается для системы стабилизации скорости электропривода постоянного тока и включает в себя все узлы необходимые для правильной работы схемы.

Функциональная схема состоит:

ЗИ - задатчик интенсивности;

РС - регулятор скорости;

ОТЯ - отсечка тока якоря;

РТ - регулятор тока;

ДС - датчик скорости;

ДТ - датчик тока;

Ф - фильтр.

Функциональная схема представлена в графической части проекта КП ЭП.00.00.000 Э2.

3. Расчет параметров неизменяемой части структурной схемы

3.1 Расчет параметров электродвигателя

Сопротивление якорной цепи двигателя , Ом, в нагретом состоянии определяется по формуле

, (1)

где - сопротивление якоря двигателя, Ом;

- сопротивление дополнительных полюсов, Ом;

- сопротивление щеточного коллектора, Ом;

- температурный коэффициент сопротивления, ; ;

- темперaтура нагретого двигателя, ;

=80;

- температура холодного двигателя, ;

=20.

Сопротивление щеточного коллектора определяется по формуле

, (2)

где - падение напряжения на щётках, В;

;

- номинальный ток двигателя, А

Ом.

Полученные результаты подставляем в формулу (1) и рассчитываем сопротивление якорной цепи двигателя в нагретом состоянии

Ом.

Находим конструктивную постоянную двигателя с, Вс по формуле

(3)

где - номинальное напряжение двигателя, В;

- угловая скорость двигателя, .

Угловая скорость двигателя рассчитывается по формуле

(4)

где - номинальная частота вращения, об/мин.

с^-1.

Полученные результаты подставляем в формулу (3) и рассчитываем конструктивную постоянную двигателя

В·с.

Индуктивность двигателя , Гн, рассчитывается по формуле

(5)

где - коэффициент учитывающий исполнение двигателя;

;

- число пар полюсов;

.

Гн.

Индуктивность якорной цепи двигателя, требуемая для ограничения пульсаций, определяется по формуле

(6)

где - относительная величина действующего значения первой гармо- ники выпрямленного напряжения при максимальном угле управ-ления;

- ЭДС на выходе преобразователя, В;

;

- частота питающей сети, Гц;

- относительная величина действующего значения первой гармоники тока нагрузки;

i_тп = 0,05;

- число пульсаций;

= 2.

Относительная величина действующего значения первой гармоники вып-рямленного напряжения определяется по формуле

(7)

где - максимальный угол открывания тиристоров, град.

Максимальный угол открывания тиристоров определяется по формуле

 (8)

где - минимальное напряжение ТП, В;

- требуемая ЭДС сети, В;

= 220 В.

Минимальное напряжение ТП определяется по формуле

(9)

где - минимальная частота вращения двигателя,;

- падение напряжения в сглаживающем дросселе, В;

- падение напряжения на тиристорах, В;

= 2 В.

Минимальная частота вращения двигателя определяется по формуле

(10)

где - диапазон регулирования.

с^-1.

Падение напряжения в сглаживающем дросселе определяется по формуле

(11)

В.

Полученные результаты подставляем в формулу (9) и рассчитываем минимальное напряжение ТП

В.

Полученные результаты подставляем в формулу (8) и рассчитываем максимальный угол открывания тиристоров

.

Полученные результаты подставляем в формулу (7) и определяем относительную величину действующего значения первой гармоники выпрямленного напряжения

.

Полученные результаты подставляем в формулу (6) и определяем индуктивность якорной цепи двигателя

Гн.

Т.к. , то необходима установка сглаживающего дросселя.

Индуктивность якорной цепи двигателя , Гн, равна

(12)

где - индуктивность дросселя, Гн.

Индуктивность сглаживающего дросселя определяется по формуле

(13)

Гн.

По справочнику из [3] выбираем сглаживающий дроссель марки ФРОС-8/0,5 с индуктивностью = 0,4351 Гн. Пересчитываем индуктивность якорной цепи двигателя, с поправкой на справочное значение по формуле

(14)

Находим суммарную индуктивность цепей ЭП Гн, по формуле

(15)

Гн.

Определим суммарное активное сопротивление ЭП , Ом

(16)

где - сопротивление тиристоров в открытом состоянии, Ом;

- сопротивление сглаживающего дросселя в якорной цепи двигате-ля, Ом;

- сопротивление шунта, Ом;

= 0,1 Ом.

Сопротивление тиристоров в открытом состоянии находим по формуле

(17)

Ом.

Сопротивление сглаживающего дросселя определяем по формуле

(18)

Ом.

Полученные результаты подставляем в формулу (16) и определяем суммарное активное сопротивление

Ом.

3.2 Расчет постоянных времени

Электромеханическая постоянная времени ,с, определяется по формуле

(19)

где - суммарный момент инерции, кг·м².

Суммарный момент инерции определяется по формуле

(20)

где - момент инерции двигателя, кг·м².

кг·м².

Полученные результаты подставляем в формулу (19) и определяем электромеханическую постоянную времени

с.

Определяем электромагнитную постоянную времени Т_Я , с, по формуле

(21)

с.

Некомпенсируемая постоянная времени , с, определяется по формуле

(22)

где - постоянная времени тиристорного преобразователя, с;

- постоянная времени датчика скорости, с;

= 0,005 с.;

- постоянная времени датчика тока, с;

= 0,005 с.

Постоянная времени ТП определяется по формуле

(23)

Полученные результаты подставляем в формулу (22) и определяем некомпенсируемую постоянную времени

Коэффициент усиления ТП определяется по формуле

(24)

где - напряжение управления, В;

.

4. Выбор типов и расчет параметров регуляторов и датчиков

4.1 Расчёт параметров обратной связи по току

Схема электрическая принципиальная обратной связи по току (ОСТ) из [1] приведена на рисунке 1 из.

Рисунок 1 - Схема электрическая принципиальная ОСТ

Схема электрическая принципиальная ОСТ включает в себя:

- двигатель М1;

- операционный усилитель DA;

- резистор Rздт;

- устройство гальванической развязки УГР;

- обратная связь.

Коэффициент обратной связи по току К_ост, В/А, определяется по формуле

(25)

где - напряжение ОС потоку, В;

- кратность пускового тока.

 В/А.

Определяем параметры датчика тока.

Коэффициент передачи датчика тока К_дт определяем по формуле

(26)

где - коэффициент передачи шунта;

= 0,1.

Определяем сопротивление задания датчика тока , кОм, по формуле

(27)

где - сопротивление обратной связи усилителя сигнала датчика тока, кОм;

.

Коэффициент передачи усилителя сигнала датчика тока определяется по формуле

(28)

где - коэффициент передачи устройства гальванической развязки;

К_гр = 1.

Полученные результаты подставляем в формулу (27) и определяем сопротивление задания датчика тока

кОм.

По справочнику из [3,4] выбираем резистор R_здт марки МЛТ-0,125 Вт 4,2 кОм +-5%, и резистор R_осдт марки МЛТ-0,125 Вт 10 кОм +-5%. В качестве микросхемы DA принимаем микросхему КМ551УД1.

4.2 Расчет параметров обратной связи по скорости

Схема электрическая принципиальная обратной связи по скорости (ООС) представлена на рисунке 2.

Коэффициент ОС по скорости , Вс, рассчитываем по формуле

(29)

где - напряжение обратной связи по скорости, В;

= 10 В.

В.

Рисунок 2 - Схема электрическая принципиальная ООС

Схема электрическая принципиальная ООС включает в себя:

- двигатель М1;

- тахогенератор BR1;

- резисторы R1 и R2 представляющие делитель напряжения.

При расчете и выборе согласующего устройства необходимо найти значение сопротивлений R1 и R2, исходя из формулы

(30)

Находим значение R1 по формуле

(31)

где R2 = 10 кОм.

кОм.

Выбираем резистор R2 марки МЛТ-0,125 Вт 10 кОм +-5% и резистор R1 марки МЛТ-0,125 Вт 32 кОм +-5%.

4.3 Расчет параметров регулятора тока

Схема электрическая принципиальная регулятора тока (РТ) приведена на рисунке 3



Рисунок 3 - Схема электрическая принципиальная РТ

Схема электрическая принципиальная РТ включает в себя:

- резисторы Rзт и Rост;

- операционный усилитель DA;

- обратная связь на Cосрт и Rосрт.

Определим параметры элементов РТ. Так как РТ является пропорционально-интегральным, то

(32)

Величина резистора R_осрт, кОм определяется по формуле

(33)

где Т_рт = Т_я = 1,06;

С_осрт = 5 мкФ.

кОм.

Величина резистора R_зт, кОм определяется по формуле

 (34)

Постоянная времени интегрирования контура тока , с, определяется по формуле

(35)

с.

Полученные результаты подставляем в формулу (34) и определяем величину резистора R_зт

кОм.

В установившемся режиме сигнал рассогласования равен нулю

(36)

где U_зтmax = U_дтmax = 10 В;

R_ост = R_зт = 10 кОм.

Выбираем резистор R_осрт марки МЛТ-0,125 Вт 220 кОм +-5% и резистор R_зт и R_ост марки МЛТ-0,125 Вт 10 кОм +-5%, выбираем конденсатор С_осрт марки К50-3А 5 мкФ x 25 В. В качестве микросхемы DA принимаем микросхему КМ551УД1.

4.4 Расчет параметров регулятора скорости

Схема электрическая принципиальная РС представлена на рисунке 4

Рисунок 4 - Схема электрическая принципиальная РС

Схема электрическая принципиальная РС включает в себя:

- резисторы Rзс и Rосс;

- операционный усилитель DA;

- обратная связь на Rосрс.

На основе передаточной функции, определенной в разделе 2, необходимо найти коэффициент усиления РС, который определяется

(37)

Крс = (0,024·1,29·0,19)/(4·0,016·0,03·0,6265) = 4,9

Исходя из того, что

(38)

Находим сопротивление задания скорости

(39)

Rзс = 10/4,9 = 2,04 кОм.

Определим , кОм, по формуле (42), задавшись сопротивлением в ОС РС

В установившемся режиме сигнал рассогласования равен нулю

(40)

Тогда при

Сопротивление обратной связи по скорости из (43)

Определяем параметры элементов РС для астатической системы (ПИ-регулятор скорости).

Определим параметры элементов РС. Так как РС является пропорционально-интегральным, то

(41)

Схема электрическая принципиальная РС представлена на рисунке 5

Рисунок 5 - Схема электрическая принципиальная РС

Схема электрическая принципиальная РС включает в себя:

- резисторы Rзс и Rосс;

- операционный усилитель DA;

- обратная связь на Rосрс и Сосрс.

Постоянная времени РС определяется по формуле

(42)

с.

Величина резистора R_осрс, кОм определяется по формуле

(43)

где С_осрс = 1 мкФ.

кОм.

Величина резистора R_зс, кОм определяется по формуле

(44)

Постоянная времени интегрирования контура скорости , с, находится по формуле

(45)

с.

Полученные результаты подставляем в формулу (40) и определяем величину резистора R_зс

кОм.

В установившемся режиме сигнал рассогласования равен нулю

(46)

где U_зсmax = U_дсmax = 10 В;

R_осс = R_зс = 27 кОм.

.

Выбираем резистор R_осрс марки МЛТ-0,125 Вт 130 кОм +-5% и резистор R_зс и R_осс марки МЛТ-0,125 Вт 27 кОм +-5% , выбираем конденсатор С_осрт марки К50-3А 1 мкФ x 25 В. В качестве микросхемы DA принимаем микросхему КМ551УД1.

Поскольку в астатической системе перерегулирования составляет 43,4%, необходимо принимать дополнительные меры для его уменьшения. В данном случае на вход системы устанавливается фильтр.

Произведем расчет параметров элементов фильтра.

Сопротивление задания фильтра и сопротивление ОС УО определяется по формуле

(47)

где Т_ф = Т_рс = 0,128 с;

С_осф = 1 мкФ.

кОм.

Схема электрическая принципиальная фильтра представлена на рисунке 6

Рисунок 6 - Схема электрическая принципиальная фильтра на входе системы

Схема электрическая принципиальная фильтра на входе системы включает в себя:

- операционный усилитель DA;

- резисторы Rзф и Rосф;

- обратная связь.

Выбираем резистор R_зф и R_осф марки МЛТ-0,125 Вт 130 кОм +-5% , выбираем конденсатор С_осрт марки К50-3А 1 мкФ x 25 В. В качестве микросхемы DA принимаем микросхему КМ551УД1.

5. Расчет статических характеристик электропривода

В качестве статической характеристики системы рассматривается зависимость скорости от статического момента при постоянном напряжении задания .

Регулирование скорости ЭП постоянного тока, путем изменения напряжения на якоре ЭД, осуществляется вниз от номинальной по заданному диапазону.

Характеристики замкнутой системы стабилизации скорости в установившемся режиме в зависимости от структуры управления (настройки) бывают статические и астатические.

В системе стабилизации скорости ЭП статической по возмущению имеют место статические характеристики, особенностью которых является зависимость скорости привода от нагрузки. Скорость изменяется в зависимости от изменения нагрузки. Такие характеристики имеют наклон, определяемый статическим отклонением скорости

(48)

Для построения статической характеристики системы, статической по возмущению необходимо вычислить скорость , которая является верхней границей регулирования скорости. Также необходимо знать минимальное значение скорости , которое является нижней границей регулирования. Особенностью таких характеристик является то, что их наклон остается неизменным во всем диапазоне регулирования скорости при постоянстве статического момента.

После преобразований уравнений для замкнутой системы ЭП в установившемся режиме конечная формула для определения скорости имеет вид

 (49)

щ = 10/0,03-0,024·0,6265/1,29·0,024·4,76 = 333,23 с^-1.

Для построения верхней характеристики необходимо найти значение скорости по формуле (55):

- при =0;

Затем по двум полученным значениям необходимо построить характеристику. Нижняя характеристика строится с тем же наклоном от значения минимальной скорости.

В системе стабилизации скорости ЭП, астатической по возмущению, скорость при изменении нагрузки остается неизменной, равной заданной, характеристики носят астатический характер и не имеют статического отклонения

(50)

щ₀ = 10/0,03 = 333,33 с^-1.

В обоих случаях, как при настройке системы на симметричный оптимум, так и при настройке системы на технический оптимум характеристики должны иметь ограничение по моменту. Ограничение происходит при максимальном значении момента Нм

(51)

M_MAX = 10·440·40,91 = 180004



Рисунок 7 - Характеристики статические ЭП

6. Исследование динамических характеристик ЭП

Максимальный ток при пуске , А, определяется по формуле

(52)

I_пуск = 10·40,91 = 4091 А.

Максимальное значение скорости при пуске , , находим по формуле

, (53)

где - величина перерегулирования, % .

щ _MAX = 4,3·329,7/100+329,7 = 343,88 с^-1.

Рисунок 8 - Характеристики динамические ЭП

7. Разработка схемы электрической принципиальной ЭП

7.1 Расчёт и выбор трансформатора (анодного реактора)

Схема электрическая принципиальная определяет полный состав элементов изделия и связи между ними и дает детальное представление о принципе работы изделия. Принципиальные схемы служат основанием для разработки схем соединения и подключения.

На принципиальной схеме изображают все электрические элементы или устройства, необходимые для осуществления заданных электрических процессов, все электрические связи между ними, элементы подключения входных и выходных цепей. Схемы выполняют без учета действительного расположения элементов и устройств в изделии.

Элементы на схеме изображают в виде условных графических обозначений, установленных в стандартах ЕСКД.

Нумерация элементов на схеме производится слева на право и сверху в низ. Нумерация самих элементов проставляется сверху или справа от элемента.

Схема электрическая принципиальная представлена в графической части проекта КП ЭП.00.00.000 Э3.

Расчет и выбор трансформатора производим по типовой мощности трансформатора, ЭДС и току во вторичной обмотке трансформатора.

Условием выбора является

, (54)

где - номинальная мощность трансформатора, кВА;

- расчетная мощность трансформатора, кВА.

Расчетная мощность трансформатора определяется по формуле

,(55)

где - расчетный коэффициент, характеризующий соотношение ЭДС;

- коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжения сети на 5-10%;

;

- коэффициент запаса, учитывающий неполное открывание

тиристоров инверторной группы;

только для реверсивных схем;

- коэффициент, учитывающий отклонение формы анодного тока от прямоугольной;

;

- коэффициент запаса по напряжению, учитывающий падение напряжения в преобразователе;

- коэффициент схемы, учитывающий соотношение типовой мощности.

S_расч = 1,11·1,1 ·1,1·1,1·1,05·440·40,91 = 27,9 кВА.

Еще одним условием выбора является

, (56)

где - номинальная ЭДС вторичной обмотки трансформатора, В;

- расчетная ЭДС вторичной обмотки трансформатора, В.

определяется по формуле

(57)

Е_{2ф расч} = 1,11·1,1·1,1·440 = 590,96 В.

Условием выбора по току является

,(58)

где - номинальный ток вторичной обмотки трансформатора, А;

- расчетный ток вторичной обмотки трансформатора, А.

определяется по формуле

, (59)

где - коэффициент, характеризующий соотношение токов.

I_{2ф расч} = 0,707·1,1·40,91 = 24,74 А.

На основании произведённых расчётов выбираем трансформатор марки ТСЗП 25/0,7 из справочника [3].

7.2 Расчет и выбор тиристоров

Выбор тиристоров по упрощенной методике осуществляется по номинальному току через тиристор и величине обратного напряжения.

Номинальный ток через тиристор , А, должен удовлетворить условию

,(60)

где - коэффициент запаса по току; ;

- допустимое значение тока через тиристор, А.

Допустимое значение тока через тиристор определяется по формуле

 (61)

I_Т = 0,707·40,91 = 28,92 А.

Вторым условием для выбора тиристоров по току является

,(62)

где - ток короткого замыкания, А. I_{Т НОМ} = 247,4/15 = 16,49 А.

Ток короткого замыкания определяется по формуле

, (63)

где - напряжение короткого замыкания, %;

.

I_КЗ = 24,74·100/10 = 247,4 А.

Величина обратного напряжения, В, определяется по формуле

,(64)

где - коэффициент схемы, учитывающий соотношение напряжений; - коэффициент запаса по напряжению; .

U_{Т ОБР} = 1,57·1,1·440 = 759,8 В.

На основании произведенных расчетов выбираем тиристоры типа Т122-20 Iт= 31 А, Uтобр=800 В, Uу=2,5 В.

7.3 Расчет и выбор элементов защиты

Для защиты ЭП применяются следующие элементы:

- автоматический выключатель;

- предохранители;

- RC-цепи;

Автоматический выключатель применяется для автоматического отключения сетевого напряжения при превышении током заданного значения, то есть защищает ЭП от внешних коротких замыканий.

Автоматический выключатель выбирается по двум условиям:

- номинальный ток уставки теплового расцепителя , А, должен быть

(65)

I_{НОМ Т РАСЦ} 1,2540,91 = 51,14 А.

- ток срабатывания электромагнитного расцепителя (ток отсечки) , А, должен быть

(66)

I_ОТС = 1,25 343,88 = 429,85 А.

Исходя из условия, выбираем автоматический выключатель марки ВА5341. Для защиты от периодических коммутационных перенапряжений, возникающих между катодом и анодом тиристора при его закрывании, применяются RC-цепи, включаемые параллельно тиристору. На время заряда конденсатора тиристор шунтируется резистором, что приводит к уменьшению перенапряжений. Емкость конденсаторов выбирается в пределах 0,25-2 мкФ, сопротивление резисторов - в пределах 5-40 Ом.

Выбираем резистор марки МЛТ-0,125 Вт 10 Ом 5% и конденсатор марки К50-3А 0,33 мкФ.

8. Разработка методики наладки и расчет показателей надежности ЭП

электропривод скорость ток силовой трансформатор

8.1 Мероприятия по наладке ЭП

Работы по наладке электроустановок являются специализированной, завершающей частью комплекса электромонтажных работ и, как правило, должны выполняться той организацией (объединение, трест), которая производит основные электромонтажные работы и несет за них ответственность.

Целью наладочных работ является обеспечение:

- электрических параметров и режимов работы электрооборудования для возможности комплексного или по узлам опробования технологической установки в сроки, определяемые утвержденным графиком;

- заданных проектом технических показателей (например, скорости, производительности) и надежности работы.

Для достижения указанных целей должен быть выполнен комплекс приемо-сдаточных испытаний, объем которых определяется ПУЭ, действующими инструкциями министерств и ведомств, а также требованиями технологии производства. В результате проведенных наладочных операций и опробований должно быть дано заключение о возможности передачи электроустановки в эксплуатацию.

Проект организации наладочных работ или проект производства наладочных работ (ППНР) является документом, определяющим техническую подготовку и организацию наладочных работ на объекте.

Проект должен включать в себя следующие разделы:

- объем в денежном и физическом выражении предстоящих наладочных работ (применительно к сметам);

- численность и квалификация наладочного персонала, необходимого для выполнения работ в установленные сроки, с учетом средней выработки;

- распределение исполнителей на объекте во времени и по участкам, узлам и т. д.;

- результаты анализа проектной документации, программы (задания) по наладке наиболее сложного электрооборудования;

- графики работ, в том числе графики совмещенного выполнения наладочных и монтажных работ;

- перечень технической и сдаточной документации применительно к пунктам сметы (технологические карты, ПУЭ, инструкции и формы протоколов);

- перечень приборов, приспособлений, материалов и средств техники безопасности, необходимых для производства наладочных работ;

- для особых случаев специальные указания по технике безопасности с перечнем защитных средств;

- перечень замечаний по проекту, монтажу и дефектов электрооборудования (заполняется в процессе выполнения наладочных работ).

Для оперативного решения организационных вопросов с заказчиком, возникающих у наладочной организации, не позже чем за 1 месяц до начала наладочных работ заказчиком выделяется группа представителей или один ответственный представитель (в зависимости от объема наладочных работ), курирующий все наладочные работы (в дальнейшем изложении группа именуется заказчик).

Исходя из практики организации наладочных работ и оформления договорных отношений заказчик обязан:

- в согласованные в зависимости от объема намечаемых работ сроки, но не позднее чем за 3 месяца до начала наладочных работ, представить наладочной организации всю необходимую проектную документацию в двух экземплярах;

- выделить наладочной организации помещение для размещения ее персонала и хранения измерительных приборов. Помещение предоставляется за счет заказчика и должно быть обособленным, отапливаемым, обеспеченным охраной, оборудованным инвентарем и местным телефоном;

- обеспечить командированный персонал наладочной организации жилым помещением с отоплением, освещением и постельными принадлежностями;

- обеспечить сохранность оборудования и установок, подлежащих наладке, и режим, исключающий доступ к ним посторонних лиц;

- согласовать график производства работ, представляемый наладочной организацией;

- для обеспечения производства наладочных работ заказчик совместно с электромонтажной организацией должен обеспечить временное электроснабжение зоны наладки.

В ходе производства наладочных работ заказчик:

- согласовывает с проектной организацией или ее авторским надзором, а также с заводами - изготовителями электрооборудования вопросы, связанные с изменениями в проекте, необходимость которых выявилась в процессе производства наладочных работ;

- обеспечивает при необходимости проведение проектной организацией авторского надзора;

- обеспечивает замену отбракованного и комплектацию недостающего электрооборудования;

- согласовывает с энергосистемой уставки релейной защиты и порядок подачи напряжения на объекты;

- принимает и оценивает качество работ, выполняемых наладочной организацией, как локальных, так и полностью законченных по данной установке;

- следит за своевременным выполнением монтажных работ, прово- дящихся в связи с изменением проекта, устранением дефектов оборудования и замечаниями приемочной комиссии;

- организует подготовку и проведение пробной режимной эксплуатации, приемо-сдаточных и государственных испытаний;

- составляет программу и утверждает методику испытаний техно- логического оборудования на период пробной режимной эксплуатации.

После окончания наладочных работ и получения протоколов испытания и наладки заказчик организует приемку оборудования в эксплуатацию, для чего совместно с электромонтажной, механомонтажной и наладочной организациями организует комплексные испытания сдаваемого оборудования и пробную его эксплуатацию в течение обусловленного времени (в пределах 24-72 ч, если нет специальных указаний в проекте или нормативных документах).

Сдача - приемка электроустановок оформляется наладочной организацией и заказчиком совместным актом.

Наладка датчика скорости.

Наладка тахогенераторов постоянного тока производится аналогично наладке машин постоянного тока. Особое внимание обращается на качественное сочленение валов тахогенератора и двигателя, а также на надежную работу щеточного аппарата.

Влияние той или иной составляющей на динамику привода, и прежде всего на амплитуду колебания якорного тока, или частоты вращения привода, будет зависеть как от амплитуды пульсации, так и от соответствующей частотной характеристики системы регулирования привода.

Наладка регулятора тока.

Правильная настройка регулятора тока является необходимым условием получения надлежащего качества переходных процессов в замкнутой системе регулирования частоты вращения двигателя, положения и в других структурах. Быстродействие токового контура определяет предельно возможное быстродействие контура скорости привода. Выбору при наладке подлежат значения сопротивлений резисторов и емкости конденсатора.

Наладка силовой схемы ЭП.

В автоматических выключателях выходят из строя преимущественно контакты, отключающие механизм и пружины (износ и плавление контактов, нарушение регулировки механизма, ослабление пружин). В результате электрического и механического воздействия может нарушаться изоляция обмотки электромеханического привода или главного вала. В зависимости от характера повреждения автоматические выключатели ремонтируют в электроремонтном цехе или на месте их установки. В последнем случае их отключают от электрических линий, а также принимают меры для предотвращения дистанционного управления выключателями.

При ремонте контактов (обгорание, оплавление и изнашивание из-за высокой температуры электрической дуги, особенно при разрыве ими больших токов) откручивают винты крепления дугогасительных камер и осторожно их снимают. Закопченные стальные омедненные пластины решетки очищают от нагара щёткой, моют и протирают чистыми тряпками. Затем промывают и опиливают напильником слегка обгоревшие контакты выключателя, снимая с их рабочих поверхностей частицы оплавленной меди. С сильно оплавленных контактов напильником убирают наплывы меди, стараясь сохранить их форму. При уменьшении размеров контактов более чем на 30 % их заменяют новыми.

В автоматических выключателях, которые часто включаются и выключаются, не только изнашиваются контакты, но и нарушается их регулировка. Это приводит к перегреву контактов при работе и выходу их из строя. Поэтому после ремонта контактов необходимо отрегулировать контактную систему. Это одна из важнейших операций ремонта, от которой зависит продолжительная нормальная работа выключателя.

В процессе регулировки контактной системы добиваются соприкосновения сначала главных, затем промежуточных и дугогасительных контактов, хотя очередность их включения при работе выключателя обратная. Соприкосновения главных контактов достигают, изменяя положение их держателей с помощью гаек, промежуточных контактов - сгибанием в нужном направлении плоской пружины, а дугогасительных - используя регулировочные гайки.

При ремонте автоматического выключателя производят также прoверку и регулировку начального и конечного нажатий его контактов. Началъное нажатие контактов - это усилие пружины в месте первоначального касания подвижных и неподвижных контактов, а конечное - усилие пружины в месте конечного касания контактов. Эти усилия замеряют специальным динамометром, поставляемым заводом-изготовителем вместе с выключателем. Усилия нe должны отличаться от паспортных данных более чем на 10 %.с Проверяют также, правильно ли расположены рычаги на отключающем валике и есть ли необходимый зазор между рычагом валика и бойком расцепителя.

При ремонте автоматического выключателя подвергают проверке резисторы, плавкую вставку предохранителя, состояние контактов конечного выключателя и вспомогательных контактов.

В отремонтированном выключателе проверяют легкость хода пoдвижных частей, отсутствие заеданий в механизме и касаний подвижных контактов стенок дугогасительных камер, для чего 10 - 15 раз медленно включают и выключают выключатель вручную. При установке отремонтированного выключателя необходимо убедиться в том, что соединяемые с ним провода, кабели или шины не создают недопустимых усилий на его контакты или выводы.

Качество ремонта выключателя определяют 15 - 20 циклами включений и выключений сначала под напряжением без нагрузки, а затем при 50 %-ой и полной номинальной нагрузках. Проверяют также работу всех расцепителей и устанавливают необходимые токи вставок максимальных расцепителей, после чего выключатель испытывают при номинальных нагрузках по программе и нормам завода-изготовителя.

При ремонте пускателей неисправную катушку электромагнита меняют нa новую или перематывают ее обмотку, выдерживая диаметр провода и количество витков. При намотке катушки тонким проводом для выводов используют гибкий провод диаметром 0,8 мм и более. Выводы катушки закрепляют нa каркасе нитками, к концам припаивают медные наконечники, а готовую катушку обматывают хлопчатобумажной лентой. Окончательно катушку проверяют пробным (не менее 10 циклов) включением и отключением пускателя.

Лопнувший короткозамкнутый виток заменяют новым: сначала отгибают стальные пластины, прикрепленные к крайним листам пакета сердечника, вынимают поврежденный виток из желоба в сердечнике, а затем устанавливают в желоб новый виток и закрепляют его, загибая стальные пластины.

Поврежденные пружины заменяются новыми из числа запасных, поставляемых в комплекте с пускателем.

Если нарушена изоляция вала подвижных контактов, ее заменяют новой, сделанной из материала, равноценного заменяемому по своим свойствам и толщине.

Контакты магнитных ?????????? покрываются металлокерамическими наплавками, повышающими продолжительность их работы. При износе наплавок контакты следует заменить равноценными (желательно заводского изготовления).

Ha заключительном этапе ремонта пускателя проверяют, правильно ли собрана схема, прочно ли закреплены подвижные контакты и хорошо ли прилегает якорь к сердечнику. Затем проводят пoслеремонтные испытания: измеряют сопротивление изоляции, омическое сопротивление обмотки катушки электромагнита и определяют точность работы пускателя при снижении напряжения.

Дополнительно проверяется правильность чередования фаз питающей сети по линейным напряжениям вентильных обмоток трансформатора с помощью фазоуказателя ФУ-2, прибора ВАФ-85 или электронного осциллографа

Наладка схемы выпрямления

Наладка схемы выпрямления выполняется в следующей последовательности:

- производится тщательный визуальный осмотр силовых шкафов и силовых блоков преобразователя с точки зрения правильности ошиновки, комплектности электрооборудования и его соответствия принципиальным схемам, а также отсутствия механических повреждений и посторонних предметов;

- проверяется наличие заземления шкафов преобразователей;

- проверяется правильность включения индуктивных делителей тока согласно принципиальной схеме;

- проверяется целостность защитных RC-цепей;

- проверяется правильность коммутации контрольных гнезд;

- проверяется исправность сигнальных микропереключателей, устаноленных на быстродействующих предохранителях;

- измеряется сопротивление изоляции токоведущих цепей по отношению к корпусу и между цепями, электрически несвязанными друг с другом. Сопротивление изоляции в холодном состоянии должно составлять не менее 5Мом для агрегатов с воздушным охлаждением, и с водяным охлаждением при незаполненной системе охлаждения. При измерении управляющие электроды тиристоров должны быть надежно соединены с анодными катодным выводами с помощью временных перемычек, диоды и конденсатор должны быть закорочены. Места установки временных перемычек фиксируются в рабочей тетради;

- производится испытание электрической прочности изоляции повышенным напряжением переменного тока частотой 50 Гц в течение 1 минуты;

- снимаются временные перемычки, установленные при испытаниях;

- производится визуальная проверка подсоединения преобразователя к напряжению питающей сети по маркировке шин;

- проверяется "прозвонкой" правильность подсоединения питающих шин или кабеля трансформатора до вентильных секций.

Наладка СИФУ

Наладка СИФУ выполняется в следующей последовательности:

- производится тщательный осмотр блоков системы управления на отсутствие механических повреждений, исправность потенциометров, наличие сигнальных ламп, а также на комплектность и правильность установки ячеек в блоках и отсутствие в ячейках видимых замыканий и разрывов печатного монтажа;

- проверяются напряжения источников питания на соответствие средних значений и амплитуды пульсаций техническим данным, приведенным в инструкции завода-изготовителя. Превышение допустимого уровня пульсаций может привести к существенному ухудшению работы СИФУ. Амплитуда пульсаций измеряется с помощью электронного осциллографа в режиме измерения переменной составляющей. Наличие повышенных пульсаций напряжения свидетельствует о неисправности или плохом качестве элементов фильтра источников питания;

- проверяется правильность чередования фаз сети собственных нужд и правильность ее подключения к преобразователю, проверка правильности чередования фаз производится непосредственно на входных зажимах узла синхронизации с помощью фазоуказателя ФУ-2, прибора ВАФ-85 или электронного осциллографа;

- производится проверка узла синхронизации и фильтров. Проверяется с помощью электронного осциллографа соответствие фазировки выходных напряжений синхронизирующего и преобразовательного трансформаторов, в случае сдвига фаз, вызванного различными группами соединений преобразовательного трансформатора и трансформатора собственных нужд, последний устраняется переключением перемычек в синхронизирующем трансформаторе.

Проверяют правильность подключения защитных RC-цепей и целостность элементов схемы.

Защита при внутреннего короткого замыкания.

Проверяют соответствие уставки быстродействующих предохранителей принципиальной схеме, функционирование схемы сигнализации сгорания предохранителей и цепи отключения преобразователя при количестве сгоревших предохранителей, указанном в инструкции завода-изготовителя.

Защита при внешних коротких замыканиях.

Проверка производится в два этапа.

На первом этапе проверяют функционирование вторичных цепей отключения автоматических воздушных и масляных выключателей имитацией сигнала датчика аварийного тока; при известных характеристиках датчиков тока производят предварительную настройку уставки срабатывания защиты (настройка вторичным током); уставка срабатывания защиты обычно приводится в проектной документации либо в инструкции завода-изготовителя.

На втором этапе производится проверка предварительно выставленных уставок защиты методом прогрузки первичным током в режиме однофазного или двухфазного короткого замыкания.

8.2 Расчет показателей надежности ЭП

Расчет основных показателей надежности ЭП производится методом среднегрупповых интенсивностей отказа. Основными показателями надежности являются параметр потока отказа и наработка на отказ.

Параметр потока отказа системы Лc, 1/ч, определяется по формуле

,(69)

где Ni - количество элементов по группам, шт.;

лi - средняя интенсивность отказа i-го элемента, 1/ч;

m - количество групп.

Наработка на отказ Tн, ч, определяется по формуле

1/(70)

Для расчета надежности все элементы схемы ЭП делятся на группы с примерно одинаковыми интенсивностями отказа. Подсчитывается количество элементов в каждой группе. Затем по формуле (70) вычисляют параметр потока отказа системы ЭП.

Результаты параметра потока отказа системы ЭП выполнить в виде таблицы 2

Таблица 2 - Результаты расчетов

Группы элементов	Ni, шт	, 1/ч	,1/ч
Выключатель автоматический	1	4,60
Трансформатор	2	1,04
Предохранители	1	0,50
Тиристоры	3	0,02
Дроссель сглаживающий	1	0,06
Электродвигатель с тахогенератором	1	3,85
Кнопки	3	0,70
Конденсаторы	3	0,10
Резисторы	12	0,04
Усилители операционные	4	0,50
Блок СИФУ	1	6,40

Далее по формуле (70) определяется наработка на отказ системы ЭП. По данным расчета необходимо сделать вывод о надежности системы ЭП.

9. Общие направления развития энергосберегающих технологий

9.1 Способы снижения потерь электроэнергии

Энергосбережение - это система мер, направленная на уменьшение потребления энергии путем внедрения новых энергосберегающих технологий и рационального использования энергоресурсов.

В процессе транспортировки, распределения и потребления электроэнергии имеют место ее непроизводительные потери, которые складываются из неизбежных и дополнительных.

Дополнительные потери электроэнергии обусловлены:

- несовершенством системы электроснабжения;

- передачей реактивной мощности;

- ухудшением качества электроэнергии;

- технологическими потерями;

- недостатками в организации производства.

К основным мероприятиям по снижению потерь электроэнергии относятся:

- замена проводов на линиях разных напряжений проводами больших сечений;

- замена трансформаторов с повышенными потерями холостого хода и короткого замыкания более экономичными той же либо иной мощности;

- установка шунтовых конденсаторных батарей;

- применение дополнительных устройств регулирования напряжения;

- перевод линий на повышенное напряжение;

- внедрение регулируемых электроприводов на механизмах с переменной нагрузкой;

- внедрение энергоэффективных светильников и автоматических систем управления освещением.

Самое результативное и дорогостоящее направление энергосбережения - модернизация и реконструкция. Наиболее распространены следующие виды работ:

- внедрение систем регулируемого электропривода для снижения расхода энергии;

- замена осветительных ламп на более экономичные типы;

- замена вентиляторов устаревшего типа новыми и внедрение систем автоматического управления для снижения расхода электроэнергии на вентиляцию;

- внедрение прогрессивных производственных технологий.

Проведение энергосберегающих мероприятий неизбежно связано с дополнительными затратами. Поэтому экономический эффект энергосберегающего мероприятия определяется выражением

Ээ = ДЭэ - ДЭз,(77)

где ДЭэ -снижение затрат, которое достигается в результате экономии энергии после проведения энергосберегающего мероприятия;

ДЭз - дополнительные затраты, связанные с проведением энергосберегающего мероприятия.

Например, в АЭз могут входить расходы на установку приборов учета энергии, эксплуатационные расходы на обслуживание этих приборов и т.п.

9.2 Способы и средства энергосбережения в электроприводах

Более 60 % всей производимой в мире электроэнергии потребляется именно электродвигателями в электроприводах рабочих машин, механизмов, транспортных средств. Поэтому меры по экономии электроэнергии в электроприводах наиболее актуальны.

В процессе эксплуатации электропривода значительные потери энергии наблюдаются в переходных режимах и в первую очередь при его пуске.

Потери энергии в переходных режимах могут быть заметно снижены за счет применения двигателей с меньшими значениями моментов инерции ротора, что достигается уменьшением диаметра ротора при одновременном увеличении его длины, так как мощность двигателя при этом должна оставаться неизменной. Например, так сделано в двигателях краново-металлургических серий, предназначенных для работы в повторно-кратковременном режиме с большим числом включений в час.

Повышения КПД двигателей приводов достигается применением новых конструкционных и магнитных материалов, улучшением технологии производства, повышением качества проектирования двигателей.

Использование в статических преобразователях частоты новых полупроводников и диэлектриков, работающих в условиях повышенных температур, также способствует минимизации потерь в электроприводе и повышению его КПД.

Эффективным средством снижения потерь энергии при пуске двигателей является пуск при постепенном повышении напряжения, подводимого к обмотке статора. Такой энергосберегающий способ пуска двигателя возможен только при работе этого двигателя в системе с регулируемым преобразователем: для асинхронных двигателей это устройства плавного пуска или преобразователи частоты, а для двигателей постоянного тока это электронные (тиристорные) устройства управления.

Тиристорный регулятор напряжения (ТРН) включается между сетью и асинхронным двигателем и изменяет напряжение на двигателе при изменении нагрузки таким образом, чтобы оптимизировать какой-либо энергетический показатель - потери, потребляемую мощность, cos и т.д.

Снижение напряжения на зажимах асинхронного двигателя при пуске

уменьшает воздействие на сеть, механическую часть двигателя и исполнительного механизма. Электропривод с регулированием по напряжению прост, надежен в эксплуатации, имеет низкие массогабаритные показатели, удобен и пользуется спросом потребителей.

Энергосберегающий эффект при торможении зависит от способа торможения. Наибольший энергосберегающий эффект происходит при генераторном рекуперативном торможении с отдачей энергии в сеть. При динамическом торможении двигатель отключается от сети, поэтому потери энергии при динамическом торможении не происходит. Наибольшие потери энергии происходят при торможении противовключением, когда расход электроэнергии равен трехкратному значению энергии, рассеиваемой в двигателе при динамическом торможении.

При установившемся режиме работы двигателя с номинальной нагрузкой потери энергии определяются номинальным значением КПД. Но если электропривод работает с переменной нагрузкой, то в периоды ее спада КПД двигателя понижается, что ведет к росту потерь. Эффективным средством энергосбережения в этом случае является снижение напряжения, подводимого к двигателю в периоды его работы с недогрузкой. Это возможно реализовать при работе двигателя в системе с регулируемым преобразователем при наличии в нем обратной связи по току нагрузки.

Использованием системы регулирования ПЧ-АД (регуляторов частоты) для электроприводов насосов, вентиляторов и компрессоров при условии развития микроэлектроники и уменьшения стоимости силовых полупроводниковых приборов дает, по публикациям ведущих зарубежных фирм, существенную экономию электроэнергии и быструю окупаемость дорогостоящей системы управления.

Наряду с экономией электроэнергии при применении регулируемых электроприводов по системе ПЧ-АД и повышением КПД насосов и вентиляторов возрастает срок службы электрического и механического оборудования.



Рисунок 9 - Зависимость cos₁ = f(Р) асинхронного двигателя при соединении обмотки статора "треугольником" и "звездой"

При проектировании электропривода важным является правильный выбор мощности двигателя. Так, выбор двигателя завышенной мощности приведет к снижению его технико-экономических показателей (КПД и коэффициент мощности), вызванных недогрузкой такого двигателя, а следовательно, к росту эксплуатационных расходов электропривода, так как с уменьшением КПД и коэффициента мощности возрастает непроизводительный расход электроэнергии. Такое решение при выборе двигателя ведет также к росту капитальных затрат (стоимость двигателя с увеличением его номинальной мощности возрастает).

Применение двигателей заниженной мощности вызывает их перегрузку в процессе эксплуатации. Вследствие этого повышается температура перегрева обмоток, что способствует росту потерь и вызывает сокращение срока службы двигателя. В конечном итоге возникают аварии и непредвиденные остановки электропривода, и, следовательно, растут эксплуатационные расходы. В наибольшей степени это относится к двигателям постоянного тока из-за наличия у них щеточно-коллекторного узла, наиболее чувствительного к перегрузкам.

Большое значение имеет рациональный выбор пускорегулирующей аппаратуры. С одной стороны, желательно, чтобы процессы пуска, торможения, реверса и регулирования частоты вращения не сопровождались значительными потерями электроэнергии, так как это ведет к удорожанию эксплуатации электропривода. Но, с другой стороны, желательно, чтобы стоимость пускорегулирующих устройств не была бы чрезмерно высокой, что привело бы к росту капитальных затрат. Если электропривод не подвержен частым регулировкам, пускам, реверсам и т.п., то повышенные затраты на дорогостоящее пускорегулирующее оборудование могут оказаться неоправданными, а расходы, связанные с потерями энергии - незначительными. И наоборот, при интенсивной эксплуатации электропривода в переходных режимах применение полупроводниковых пускорегулирующих устройств становится оправданным.