Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

трансформатор полупроводниковый электрический мощность

На сегодняшний день более половины всего парка карьерных одноковшовых экскаваторов составляет машина ЭКГ-5А. Несмотря на свой солидный возраст, этот тип экскаватора остается основной экскавационной единицей при разработке карьеров нерудных материалов, в области добычи руды, угля и при строительстве крупных объектов.

Первые экскаваторы ЭКГ-5А появились еще в конце 1970-х годов. Они представляли собой модернизированные образцы ЭКГ-4,6Б. Экскаваторы ЭКГ-5А, с конструктивными минимальными изменениями, продолжают выпускать и сегодня.

Большой объём земляных работ на открытых горных работах угольной промышленности выполняется мощными одноковшовыми и роторными экскаваторами с электрическим приводом. Рост мощностей этих машин обусловливает увеличение мощностей приводов главных механизмов. Поэтому с точки зрения экономии как капитальных затрат на создание приводов, так и расхода электроэнергии во время эксплуатации машин, вопросу расчета привода и главным образом правильному определению мощности и выбору двигателей необходимо уделять большое внимание.

Режим работы электроприводов основных рабочих механизмов экскаватора характеризуется большим числом включений, резкими изменениями нагрузки, частыми изменениями направления вращения (реверсированием). Иными словами, электроприводы работают главным образом в неустановившихся режимах.

К основным переходным режимам электропривода экскаватора относятся пуск (разгон), остановка (торможение) и изменения направления вращения двигателей рабочих механизмов (реверсирование). Поэтому к электроприводу экскаватора предъявляются особые требования. Например, один из требований, предъявляемых к электроприводу механизма поворота, является обеспечение протекания переходных процессов в минимально возможное время с ограниченным ускорением или замедлением, в особенности при торможении. Такое требование вызвано тем, что механизм поворота работает исключительно в переходных процессах пуска, реверсирования и торможения, так как он обладает значительной массой, которая в несколько раз превышает маховую массу двигателя. Кроме того, вследствие большого передаточного отношения редуктора механизма поворота могут быть значительные люфты в передачах, что тоже требует плавного разгона во избежание резких ударов в передачах.

1. Общие сведения экскаватора ЭКГ-5А

1.1 Электропривод экскаватора ЭКГ-5А

Карьерный, гусеничный, с ковшом вместимостью 5 м³ экскаватор ЭКГ-5А является электрической карьерной полноповоротной лопатой на гусеничном ходу, предназначенной для выемки и погрузки в транспортные средства полезных ископаемых и вскрышных пород, в том числе тяжелых скальных, предварительно разрыхленных взрывом. Разрабатываемые породы с объемной массой более 2 т/м³ должны быть предварительно разрыхлены. Экскаватор ЭКГ 5 предназначен для умеренного климата с интервалом температур от -40 до +40°С, а также для тропического климата на высоте не более 1000 м над уровнем моря.

Рисунок 1.1 - Карьерный гусеничный экскаватор ЭКГ-5А

Экскаватор ЭКГ-5А состоит из следующих составных частей: поворотной части, включающей в себя поворотную платформу с расположенными на ней механизмами, и рабочее оборудование ходовой тележки, состоящей из нижней рамы, двух гусеничных рам с колесами и гусеничными цепями; ходового механизма, зубчатого венца, роликового круга.

Рабочее оборудование включает ковш, рукоять ковша, механизм открывания ковша, стрелу с напорным механизмом и двуногую стойку. Нижний конец стрелы опирается на подпятники поворотной платформы, а верхний - поддерживается на весу канатным полиспастом.

На поворотной платформе установлены подъемная лебедка, два поворотных механизма, электрооборудование, пневмосистема, двуногая стойка, стреловая лебедка и кузов. В передней правой части платформы расположена кабина машиниста. Поворотная платформа через роликовый круг опирается на ходовую тележку и соединена с ней центральной цапфой. Между поворотной и нижней рамами установлен высоковольтный токоприемник.

Поворотный механизм состоит из двух одинаковых агрегатов. Каждый из них имеет вертикальный электродвигатель с фланцем, опирающимся на корпус редуктора. Поворотный механизм экскаватора служит для вращения поворотной платформы с механизмами и рабочим оборудованием. Привод поворота осуществляется двумя одинаковыми механизмами, каждый из которых состоит из электродвигателя и редуктора. На верхнем коническом конце вала каждого электродвигателя установлен тормозной шкив для колодочного тормоза, предназначенного для затормаживания механизма поворота при передвижении экскаватора, на стоянке и при аварийном обесточивании, а на нижнем конце закреплена шестерня, являющаяся ведущей шестерней редуктора поворота. Консольный выходной вал редуктора заканчивается бегунковой шестерней, сцепленной с неподвижным зубчатым венцом, расположенным на нижней раме ходовой тележки экскаватора.

Все механизмы на платформе закрыты кузовом. Для удобства ремонта и монтажа механизмов на платформе кровля кузова имеет съемные панели. Расположение основных агрегатов и узлов экскаватора обеспечивает свободный доступ к ним для осуществления монтажных, демонтажных и ремонтных работ. Большинство механизмов и составных частей экскаватора ЭКГ-5А имеют блочную конструкцию и взаимозаменяемы, что позволяет применять при ремонтах агрегатно-узловой метод. Экскаватор ЭКГ-5А является модификацией ранее выпущенных Уралмашзаводом моделей ЭКГ-4.6Б, ЭКГ-4,6А, ЭКГ - 4,6. Благодаря этому многие узлы и детали указанных экскаваторов могут быть использованы при ремонте экскаватора ЭКГ-5А.

Автоматизация производственных процессов на электротехнической основе требует электроприводов с регулированием скорости в широком диапазоне. Наиболее полно удовлетворяют требованиям различных механизмов в отношении регулирования скорости, являются электроприводы постоянного тока, особенно система ТП-Д.

Наряду с широким диапазоном регулирования скорости, достигающим в отдельных случаях значений 100 - 200 и более, система ТП-Д обеспечивает возможность получения специального вида механических характеристик электропривода и необходимый характер протекания переходных процессов - форсирование пуска, плавное и интенсивное торможение.

1.2 Способы ограничения вращающегося момента электропривода

Механический способ

Это когда при возрастании нагрузки выше предельной, двигатель отключается от рабочего механизма в результате проскальзывания (расцепления муфты предельного момента в кинематической передаче). При этом рабочий орган и жестко связанные с ним передачи до ведомой части муфты резко останавливаются, а привод, у которого запасенная кинетическая энергия во вращающихся массах значительно больше кинетической энергии остановившейся части рабочего оборудования, продолжает работать и его кинетическая энергия не влияет на динамическую нагрузку рабочего оборудования. После устранения причины стопорения, нагрузка на валу механизма уменьшается. По достижении определенного значения нагрузки восстанавливается сцепление фрикциона или муфты с ведущим элементом передаточного механизма, и орган вновь приводится в движение. Механический способ ограничения момента используется на экскаваторах малой производительности (Э-1251, Э-2001).

Электрический способ

Это когда при возрастании нагрузки выше стопорного значения, производится автоматическое воздействие на систему управления электродвигателя. На современных экскаваторах в качестве основного средства ограничения момента электроприводов главных механизмов является использование привода с экскаваторной механической характеристикой.

Электродвигатели с такой характеристикой удовлетворяют всем требованиям. Они работают с номинальной частотой вращения до тех пор, пока нагрузка не возрастает до момента отсечки. Когда же момент нагрузки возрастает еще больше, двигатель резко снижает частоту вращения и останавливается при достижении стопорного момента.

1.3 Выбор способа соединения электродвигателей механизма поворота

Вращение поворотной платформы с расположенным на ней рабочим оборудованием у экскаватора ЭКГ-5А осуществляется двумя электродвигателями ДПВ-52. Электродвигатели поворота можно соединить последовательно, параллельно или питать от индивидуальных источников питания. Преимущества двухдвигательного привода поворота экскаватора очевидны: увеличение числа валопроводов механизма позволяет уменьшить нагрузку каждого валопровода; за счет этого облегчить передачи, что особенно важно для выходных ступеней, а так же достигается более благоприятное распределение усилий в опоро-поворотном устройстве.

Увеличение числа валопроводов механизма приводит к разветвлению электромеханических схем, за счет дополнительных упругих связей и дробления масс увеличивается число степеней свободы систем и динамика их существенно усложняется. Важной проблемой для подобной системы является обеспечение равномерного распределения нагрузок между валопроводами механизма как в установившихся, так и в переходных режимах работы электропривода. Известно, что наиболее простым и эффективным средством выравнивания нагрузок двигателей с жестко связанными валами в электроприводах постоянного тока является последовательное соединение якорных цепей двигателей. При одном и том же токе якорей различия в развиваемых двигателями моментах могут быть обусловлены лишь возможной неодинаковостью магнитных потоков машин. Поскольку различия в потоках одинаковых машин составляет 1-3%, развиваемые двигателем моменты при последовательном соединении можно считать практически равными. Это обстоятельство и определило последовательное соединение якорных цепей двигателей.

Между тем в переходных процессах распределение нагрузок между валопроводами может существенно ухудшаться по той причине, что связь между двигателями не является абсолютно жесткой. Увеличение числа упругосвязанных масс и вызываемое этим усложнение структуры электромеханической системы при двухдвигательном приводе создают благоприятные условия для развития механических колебаний. Колебания упругосвязанных масс всегда вызывают дополнительные динамические нагрузки передач, которые при неблагоприятных условиях могут достичь опасных значений. Последовательное соединение двигателей в принципе обеспечивает примерно одинаковую среднюю нагрузку каждого валопровода, а мгновенные значения могут различаться существенно.

Поэтому исследование системы электропривода поворота экскаватора ЭКГ-5А, характера и величин переменных, является важным этапом расчета электропривода в программе Matlab пакета Simulink. Питание эл. двигателей производится от тиристорного преобразователя, а система управления электроприводом построена по принципу подчиненного регулирования переменных.

2. Расчет параметров и выбор элементов силовой цепи ТП-Д

2.1 Выбор двигателя

При эксплуатации одноковшовых и роторных экскаваторов помимо полезной работы, связанной с разрушением и перемещением горной породы, постоянно совершается работа по преодолению силы тяжести и перемещению масс самого оборудования. Поэтому при расчете привода главных механизмов карьерных машин необходимо знать массы и веса, а так же линейные размеры как отдельных конструкций, так и всей машины.

Следовательно, чтобы определить мощности приводных двигателей главных механизмов карьерных машин, требуется выполнить отдельный проект отдельных конструкций и машины в целом, т.е. установить линейные размеры, массу и вес всей машины и ее отдельных узлов.

Однако, используя накопленный опыт в проектировании, создании и эксплуатации карьерных машин, можно выявить определенную взаимосвязь между вместимостью ковша у одноковшовых экскаваторов и их линейными размерами или между массой всего экскаватора и его отдельными узлами. С этой целью выведены эмпирические формулы для определения линейных размеров, масс и весов, как отдельных узлов, так и в целом всего экскаватора.

Электродвигатель постоянного тока ДПВ 52 предназначен для привода главных механизмов экскаваторов ЭКГ-5А (ЭКГ - 4,6) в качестве двигателя поворота, а также может быть применен в других исполнительных механизмах.

Двигатель используется в районах умеренного и тропического климата (по требованию заказчика - в районах холодного климата), на высоте не более 1000 м над уровнем моря, с температурой окружающей среды от +40^оС до 60^оС, с относительной влажностью 80% при +20^оС, окружающая среда взрывобезопасная, не содержащая агрессивных паров, газов и токопроводящей пыли.

Таблица 2.1 - Параметры электродвигателя ДПВ-52

Наименование	Ед. измер.	Обозначение	Величина
Двигатель ДПВ-52
Номинальная мощность	кВт		60
Номинальная скорость	об/мин		1230
Номинальный ток	А		220
Номинальное напряжение	В		305
Сопротивление якоря двигателя	Ом		0,047
Сопротивление якорной цепи	Ом		0,16
Постоянная времени якорной цепи	сек		0,08
Конструктивный коэффициент двигателя			4,67
Максимальная частота вращения	об/мин		2200
Момент инерции якоря	кг/м2		1,88
Сопротивление обмотки якоря	Ом		0,0182
Номинальное напряжение возбуждения	В		95
Сопротивление дополнительных полюсов	Ом		0,019
Число пар полюсов			2
Число электродвигателей в приводе			2

В связи с успешными конструкторскими решениями, применением современных изоляционных материалов и электротехнических сталей, данные электродвигатели (табл. 2.1) имеют более высокие эксплуатационные характеристики. Высокая заводская готовность обеспечивает простой и быстрый монтаж.

2.2 Расчет параметров и выбор силового трансформатора

Силовой (преобразовательный) трансформатор необходим для изменения (обычно понижения) переменного напряжения с целью согласования напряжения сети и выходного напряжения преобразователя, а также гальванического разделения цепи нагрузки и сети. Кроме того, он служит для уменьшения скорости нарастания прямого тока тиристоров и ограничения тока короткого замыкания.

Исходными данными для расчета силового трансформатора являются номинальные средние значения выпрямленного напряжения и тока, определяемые по паспортным данным электродвигателя. Для вращения поворотной платформы экскаватора ЭКГ-5А используем два последовательно включенных двигателя ДПВ-52, технические данные которого приведены в таблице 2.1.

Расчет параметров и выбор силового трансформатора произведем по методике [7].

Максимальное значение ЭДС вентильного преобразователя при угле управления :

, (2.1)

,

где - среднее значение выпрямленного напряжения на якоре двигателя;

- падение напряжения на сглаживающем дросселе,

; (2.2)

- падение напряжения на активном сопротивлении силового трансформатора,

; (2.3)

 - коммутационное падение напряжения для мостовых схем,

; (2.4)

- напряжение короткого замыкания силового трансформатора (5-7)%;

- среднее значение падения напряжения на тиристорах, пусть ;

- коэффициент запаса по напряжению, учитывающий снижение напряжения сети на 10%.

Действующее значение ЭДС фазы вторичной обмотки трансформатора, В:

, (2.5)

,

где - коэффициент схемы.

Действующее значение линейного тока вторичной обмотки трансформатора:

, (2.6)

,

где - коэффициент непрямоугольности тока в обмотках силового трансформатора;

- коэффициент тока вторичной обмотки.

Действующее значение линейного тока первичной обмотки силового трансформатора, А:

,

где - коэффициент тока первичной обмотки,

. (2.7)

При соединении обмоток 3^х-фазного трансформатора по схеме «звезда», линейный ток равен фазному, т.е.

.

Расчетное значение мощности первичной и вторичной обмоток трансформатора, кВа, определим по формуле:

, (2.8)

где - число фаз трансформатора.

Расчетная (типовая) мощность силового трансформатора:

. (2.9)

По полученному значению расчетной мощности выбираем силовой трансформатор ТЭ250/6:

, , , потери ,

потери , , .

Активное сопротивление фазы вторичной обмотки трансформатора:

, (2.10)

где - потери короткого замыкания, Вт;

- фазный ток вторичной обмотки,

. (2.11)

Индуктивность фазы вторичной обмотки, Гн:

, (2.12)

где - индуктивное сопротивление фазы;

- полное сопротивление фазы трансформатора,

, (2.13)

где - напряжение короткого замыкания трансформатора;

.

Значения активного сопротивления и индуктивности трансформатора, приведенные к цепи выпрямленного тока:

(2.14)

где - число обмоток трансформатора, обтекаемых рабочим током.

2.3 Выбор тиристоров

Тиристоры выбирают по допустимым значениям тока и напряжения, учитывая способ и эффективность охлаждения.

Произведем выбор тиристоров с воздушным охлаждением и типовыми семиреберными охладителями.

Требуемая величина тока тиристора, А:

(2.15)

где - номинальный ток нагрузки, ;

- коэффициент запаса по току, учитывающий пусковой ток двигателя;

- число фаз;

- коэффициент, учитывающий условия охлаждения.

Номинальный ток тиристора .

Выбранный тиристор проверим на устойчивость при внешнем коротком замыкании:

(2.16)

где .

Выбираем тиристор Т500. Его параметры:

Таблица 2.2 - Технические данные тиристора Т500

Предельный ток тиристора , А	Предельный ток тиристора, при скорости обдува 12 м/с	Ударный ток А, при	Отпирающий ток управления, мА	Отпирающее напряжение, , В
50	490	7000	400	7

Максимальное значение напряжения на тиристоре:

(2.17)

где - коэффициент прямого и обратного напряжения.

Расчетное напряжение тиристора, В:

(2.18)

,

где - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное перенапряжение.

Повторяющееся напряжение выбранного тиристора не меньше расчетного, как и должно быть. Для данного типа напряжение равно 150-1600 В.

2.4 Расчет индуктивности и выбор сглаживающего дросселя

Пульсации выпрямленного напряжения приводят к пульсации тока нагрузки, увеличивающем нагрев электродвигателя, и ухудшают его коммутацию. Величина пульсаций тока зависит от схемы выпрямления, угла управления и индуктивности контура нагрузки. С целью уменьшения пульсаций тока и расширения зоны темной коммутации двигателей в цепь нагрузки включают сглаживающие дроссели.

Требуемая индуктивность цепи выпрямленного тока, Гн:

(2.19)

где - относительная величина действующего значения первой гармоники тока нагрузки;

- число пульсаций выпрямленного напряжения на периоде напряжения сети;

- относительная величина действующего значения первой гармоники выпрямленного напряжения при max угле управления.

, (2.20)

где .

Минимальная частота вращения двигателя при номинальном токе якоря, с^-1:

, (2.21)

,

где - заданный диапазон регулирования частоты вращения.

Минимальное значение ЭДС преобразователя при номинальном токе двигателя, В:

;

; (2.22)

,

где - коэффициент двигателя.

(2.23)

где , - номинальное значение тока и напряжения якоря;

- сопротивление якорной цепи отдельного двигателя, приведенное к рабочей температуре.

,

(2.24)

где , , - справочные значения сопротивлений якоря, дополнительных полюсов и компенсационной обмотки;

- сопротивление щеточного контакта.

,

где - температура обмоток, при которой указано сопротивление в каталоге;

- рабочая температура обмоток.

Требуемая индуктивность сглаживающего дросселя:

, , (2.25)

где - индуктивность силового трансформатора;

- индуктивность якорной цепи отдельного двигателя.

(2.26)

где - для компенсированных электродвигателей;

- число пар полюсов.

Выбираем дроссель типа ФРОС 400/0,5 с номинальной индуктивностью .

Минимальное значение угла управления:

, (2.27)

где - эквивалентное сопротивление преобразователя, Ом

, т.к. , (2.28)

где - сопротивление;

- коммутационное сопротивление;

- активное сопротивление сглаживающего дросселя.

2.5 Расчет параметров цепи якоря

Динамическое сопротивление тиристоров:

, (2.29)

где - падение напряжения открытого тиристора;

- номинальный ток тиристора, при котором в каталоге указывается классификационное падение напряжения .

, (2.30)

.

Расчетное сопротивление всей цепи якоря двигателя:

, (2.31)

.

Постоянная времени якорной цепи:

, (2.32)

,

где - индуктивность цепи выпрямленного тока, Гн.

Расчетное значение момента инерции привода:

, (2.33)

где - момент инерции якоря двигателя;

- момент инерции нагрузки, приведенной к валу двигателя.

Статический коэффициент усиления вентильного преобразователя:

, (2.34)

где - сигнал задания на входе.

Передаточный коэффициент по току якоря:

. (2.35)

Передаточный коэффициент по скорости двигателя :

. (2.36)

Передаточный коэффициент по упругому элементу:

. (2.37)

Электромеханическая постоянная времени двигателя:

. (2.38)

Электромеханическая постоянная времени механизма:

. (2.39)

] Электромеханическая постоянная времени электропривода:

. (2.40)

Постоянная времени нагрузки упругого элемента:

, (2.41)

где с.

Передаточный коэффициент обратной связи по скорости:

, (2.42)

где - сигнал задания.

Передаточный коэффициент цепи обратной связи по нагрузке упругого элемента:

, (2.43)

где - максимальный ток двигателя;

- сигнал задания.

Передаточный коэффициент цепи обратной связи по току:

, (2.44)

где - сигнал задания.

2.6 Статические характеристики и передаточные функции элементов разомкнутой системы электропривода

Система импульсно-фазового управления

В современных управляемых вентильных преобразователях наибольшее распространение получили полупроводниковые системы импульсно-фазового управления (СИФУ) с вертикальным принципом управления.

Функциональная схема СИФУ с вертикальным принципом управления приведена на рисунке 2.1. Генератор опорного напряжения (ГОН), синхронизированный с напряжением сети, формирует опорное напряжение . Последнее сравнивается с управляющим напряжением на входе СИФУ. В момент их равенства генератор импульсов (ГИ) формирует управляющий импульс , подаваемый на управляющий электрод тиристора.

Рисунок 2.1 - Функциональная схема полупроводниковой СИФУ с вертикальным принципом управления.

Вид регулировочных характеристик СИФУ и управляемого преобразователя зависит от формы опорного напряжения.

Треугольное опорное напряжение (рисунок 2.2.):

(2.45)

где - максимальное значение опорного напряжения (принимаем равным 10 В).

Рисунок 2.2 - Треугольное опорное напряжение

 (2.46)

где - угол управления, отсчитываемый от точки естественной коммутации вентилей.

Рисунок 2.3 - Регулировочная характеристика СИФУ с треугольным опорным напряжением

Передаточный коэффициент системы импульсно-фазового управления:

(2.47)

Регулировочные характеристики СИФУ с треугольной формой опорного напряжения приведена на рисунке 2.3.

Функциональная схема разомкнутой системы тиристорного электропривода

Для правильного выбора регулятора, обеспечивающего заданные свойства привода, необходимо знать характеристики и параметры объекта регулирования. Последний в системах электропривода состоит из управляемого вентильного преобразователя, двигателя и рабочего механизма.

Составными частями функциональной схемы разомкнутой системы «Управляемый вентильный преобразователь-двигатель» (УВП-Д, рис. 2.4) являются: СИФУ - система импульсно-фазового управления; СЧ - силовая часть преобразователя; Д - двигатель. Сигналы, обозначенные на рисунке: - управляющее напряжение на входе СИФУ; - угол управления тиристорами; - среднее значение выпрямленного напряжения; - выходная координата двигателя.

Рис. 2.4 - Функциональная схема разомкнутой системы УВП-Д

Выходной регулируемой координатой в автоматизированном электроприводе являются частота вращения, угол поворота вала, момент, мощность и др.

Регулировочные характеристики силовых схем вентильных преобразователей

Характеристики управляемых вентильных преобразователей различны в зависимости от вида нагрузки, схем силовой части и СИФУ.

Регулировочные характеристики силовых схем УВП приведены на рис. Если принять, что индуктивное сопротивление в цепи переменного тока равно нулю, а ток нагрузки непрерывен (индуктивность цепи постоянного тока ), то уравнение регулировочной характеристики силовых схем имеет вид:

(2.48)

.

В случае активной нагрузки () уравнение регулировочной характеристики для мостовой симметричной схемы в зоне прерывистого тока имеет вид:

(2.49)

Максимальное значение угла управления , при котором ток начнет прерываться (работа на активную нагрузку), можно определить следующим образом:

(2.50)

.

При работе преобразователя на активную нагрузку в области углов управления регулировочная характеристика описывается уравнением (2.48), а в области - уравнением (2.49).



Рис. 2.5 - Регулировочные характеристики реверсивных силовых схем УВП с раздельным управлением

Результирующая регулировочная характеристика преобразователя представляет собой зависимость ЭДС преобразователя от напряжения управления = f(Uу) и определяется регулировочными характеристиками силовой части и СИФУ преобразователя.

При наиболее широко используемом вертикальном принципе построения СИФУ вид регулировочной характеристики преобразователя зависит от формы опорного напряжения Uо генератора опорного напряжения (ГОН) СИФУ.

При данном опорном напряжении ГОН СИФУ описывается уравнением:

(2.51)

где

.



Рисунок 2.6 - Регулировочная характеристика УВП с СИФУ и треугольным опорным напряжением

Передаточный коэффициент управляемых вентильных преобразователей

Передаточный коэффициент УВП в соответствии с рис. 2.4 определяют по формуле:

(2.52)

где - ЭДС на выходе преобразователя; - напряжение на входе СИФУ;

- передаточный коэффициент системы импульсно-фазового управления;

- передаточный коэффициент силовой части преобразователя.

Для наиболее часто встречающегося режима непрерывного тока регулировочная характеристика силовой части УВП описывается уравнением (2.48). На основании этого передаточный коэффициент силовой части равен:



(2.53)

Передаточный коэффициент управляемых вентильных преобразователей зависит от формы опорного напряжения СИФУ, определяют его треугольное опорное напряжение треугольное опорное напряжение следующим образом: треугольное опорное напряжение:

(2.54)

Передаточный коэффициент управляемых вентильных преобразователей при :

(2.55)

Минимальный угол регулирования определим по формуле:

(2.56)

.

Передаточный коэффициент управляемых вентильных преобразователей при :

 (2.57)

Нетрудно видеть, что передаточный коэффициент УВП зависит от угла , т.е. . Поэтому для дальнейших расчетов следует определить среднее значение передаточного коэффициента на всем диапазоне регулирования:

(2.58)

Внешние характеристики управляемых вентильных преобразователей

Внешние характеристики УВП зависят от схемы силовой части преобразователей и вида нагрузки.

В общем случае уравнение внешних характеристик, представленных на рисунке 2.7, имеет вид:

(2.59)

где и - напряжение и ток на выходе преобразователя соответственно (А);

- эквивалентное сопротивление тиристорного преобразователя.



Рисунок 2.7 - Внешние характеристики УВП для режима непрерывного тока

Электромеханические характеристики двигателя в разомкнутой системе

Уравнение электромеханических характеристик двигателя в режиме непрерывного тока имеет вид:

(2.60)

(2.61)

.

Здесь - частота вращения идеального холостого хода двигателя, с^-1; (А).

(2.62)

где C - конструктивный коэффициент электродвигателя;

- расчетное значение сопротивления якорной цепи в системе «преобразователь-двигатель», Ом:

, (2.31)

.

где , и - эквивалентное сопротивление тиристорного преобразователя, сопротивление шунта и приведенное к рабочей температуре сопротивление якорной цепи отдельного двигателя.

Расчетная индуктивность якорной цепи, Гн:

(2.64)

где - индуктивность трансформатора (токоограничивающего реактора в безтрансформаторных схемах), приведенная к цепи выпрямленного тока;

- индуктивность выбранного сглаживающего реактора;

- индуктивность якорной цепи отдельного двигателя.



Рисунок 2.8 - Электромеханические характеристики двигателя в разомкнутой системе

3. Структурные схемы объекта регулирования

3.1 Одномассовая система объекта регулирования

Структурная схема одномассовой электромеханической системы будет иметь вид (рисунок 3.1):

В общей теории электропривода механизм (рис. 3.1) представляется приведенным к валу двигателя суммарным моментом сила сопротивления М_с и суммарным приведенным моментом инерции J, жестко связанным с валом двигателя. В этом случае расчетная схема электропривода принимает вид, представленный на рис. 3.2.

Рисунок 3.1. Расчетная схема одномассовой системы электропривода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.2 Структурная схема одномассовой электромеханической системы



Условиям движения инерционных масс системы в этом случае соответствует уравнение движения электропривода:

. (3.1)

Уравнение (3.1) свидетельствует о том, что в любой момент времени двигатель развивает момент, равный суммарному моменту нагрузки, обусловленному как статическими силами, так и силами инерции.

Динамический момент равен:

, (3.2)

который необходим для ускорения всех инерционных масс установки. Очевидно, что динамическая нагрузка привода тем больше, чем больше приведенный момент инерции механизма по условиям его работы.

Максимальные нагрузки электропривода М_max во всех случаях не должны превышать допустимого для двигателя М_доп, который определяется его перегрузочной способностью. Для двигателей постоянного тока перегрузочная способность ограничивается условиями коммутации тока.

3.2 Двухмассовая система объекта регулирования

Расчетная схема, приведенная на рисунке 3.1 дает возможность судить об общей нагрузке электропривода. Однако она не дает представления о нагрузке элементов механического оборудования, которая для нормального функционирования привода и механизма должна быть ограниченной.

В реальных механизмах связи между движущимися массами не являются абсолютно жесткими. Основные особенности взаимодействия электрической и упругой механической частей системы достаточно полно учитывается при простейшем представлении механической части (рис. 3.3) в виде двухмассовой упругой системы.

Рисунок 3.3. Расчетная механическая схема.

Составление таких расчетных механических схем выполняется при следующих допущениях:

1) Силы и моменты, действующие в системе приложены к сосредоточенным массам, которые не подвергаются деформации;

2) упругие звенья невесомы и характеризуются постоянными коэффициентами пропорциональности между моментом (силой) и деформацией;

3) Деформация упругих звеньев линейна и подчиняется закону Гука;

4) Волновым характером деформации можно пренебречь.

Двухмассовая система описывается следующей системой уравнений:

,

где М - момент развиваемый двигателем, Нм;

М_С - приведенный статический момент нагрузки, Нм;

- приведенный угол поворота ведущего конца вала двигателя, рад;

- приведенное к валу двигателя перемещение исполнительного органа механизма, рад.

J₁ - суммарный, приведенный к валу двигателя, момент инерции механизма;

J₂ - приведенный к валу двигателя момент инерции механизма;

С₁₂ - суммарная приведенная жесткость передач.

Решив систему уравнений относительно М₁₂ получим уравнение описывающее динамику механической системы.

,

где - среднее ускорение привода;

,

- собственная частота колебаний упругой двухмассовой системы.

Решение системы показывает, что переходные процессы в упругой механической системе сопровождаются колебаниями. За счет колебаний нагрузка передач может значительно превышать среднюю нагрузку.

Упругие колебания в среднем не влияют на длительность переходных процессов. Однако считаться с ними приходиться, так как они бесполезно увеличивают нагрузку передач и рабочего оборудования, и ускоряют их взнос.

Упругие колебания механизма в случае формирования зависимости , вызывают колебания момента двигателя М с той же частотой, что ухудшает использование двигателя по нагрузочной способности и бесполезно увеличивают его нагрев. Поэтому, в тех случаях, когда момент инерции механизма значительно больше момента инерции двигателя, предпочтительнее формировать кривую , не препятствуя наблюдающимися при этом колебаниями скорости и ускорения вала двигателя.

Механизм обычно содержит большие массы, которые значительно превосходят момент инерции двигателя. В то же время элементы механизма имеют конечные жесткости. Во время переходных процессов в элементах механизма возникают большие динамические моменты, которые влияют на моменты двигателя, а он, в свою очередь, влияет на величину динамических моментов.

Для учета упругих динамических моментов механизма скоростного лифта необходимо данный механизм представить в расчетной схеме с упругими механическими связями.

Структурная схема двухмассовой электромеханической системы будет иметь вид (рисунок 3.4):

Рисунок 3.4 Структурная схема двухмассовой электромеханической системы



Рисунок 3.5 Модель двухмассовой электромеханической системы электропривода



Рисунок 3.6 - Переходные процессы скорости вала двигателя и рабочего органа двухмассовой системы электропривода

4. Синтез двухконтурной системы подчиненного регулирования

4.1 Синтез контура тока

Структурная схема контура тока имеет следующий вид (рисунок 4.1):

Рисунок 4.1 Структурная схема контура тока

Передаточная функция разомкнутого контура тока равна:

, (4.1)

где W_рт(р) - передаточная функция регулятора тока.

Контур настраиваем на технический оптимум. При настройке на технический оптимум перерегулирование составляет 4,3%, время достижения первого максимума - 4,6 .

Желаемая передаточная функция имеет вид:

. (4.2)

Приравняв желаемую передаточную функцию к передаточной функции разомкнутого контура, найдем передаточную функцию регулятора тока.

, (4.3)

где . (4.4)

Передаточная функция разомкнутого контура равна

. (4.5)

Передаточная функция замкнутого контура тока

, (4.6)

. (4.7)

Положим , ;

. (4.8)

Величиной () пренебрегаем, так как она мала:

. (4.9)

;

;

:

;

4.2 Синтез контура скорости

Структурная схема контура скорости имеет следующий вид:

Рисунок 4.2 Структурная схема контура скорости

В рассматриваемой системе регулирования скорости свойственна статическая ошибка, которая при заданных пределах изменения нагрузки вызовет следующий разброс установившейся скорости движения при настройке на технический оптимум:

(4.10)



5. Синтез четырехконтурной системы подчиненного регулирования

5.1 Синтез контура тока

Для четырехконтурных систем управления электроприводами главных механизмов одноковшовых экскаваторов применять обычный метод синтеза систем подчиненного регулирования с последовательной коррекцией нельзя из-за невозможности пренебрежения внутренними обратными связями объекта регулирования. Поэтому для упрощения синтеза системы целесообразно компенсировать влияние этих обратных связей и производить синтез обычным методом.

Компенсация внутренних обратных связей объекта может производиться введением положительных оборотных связей по переменным объекта регулирования на входы соответствующих регуляторов.

В соответствии с известными принципами построения многоконтурных систем подчиненного регулирования, включив последовательно с объектом регулятор тока с передаточной функцией и замкнув систему обратной связью по току якорной цепи с передаточной функцией , образуем внутренний контур регулирования тока якорной цепи и произведем его оптимизацию. При этом влияние отрицательной обратной связи по ЭДС двигателя компенсировано такой же положительной обратной связью.

Рисунок 5.1 - Структурная схема контура тока

;

; (3.1)

; (3.2)

; (3.3)

;

;

; (3.4)

; (3.5)

при

; (3.6)

где ;

где .



Рисунок 5.2 - Структурная схема контура тока

Применение ПИ-регулятора тока якорной цепи с передаточной функцией:

. (3.7)

позволяет компенсировать наибольшую постоянную времени инерционных звеньев токового контура. Введение в токовый контур интегрирующего звена, которым является ПИ-регулятор, устраняет статическую ошибку замкнутой системы регулирования, то есть делает ее астатической, если не учитывать внутренней обратной связи по (или ЭДС двигателя).

5.2 Моделирование контура тока

По структурной схеме контура тока (рис. 5.2) составлена его модель (рис. 5.3).

Рисунок 5.2 - Модель контура тока



Рисунок 5.3 - График переходного процесса в контуре тока

Процесс соответствует стандартному, настроенному на модульный оптимум (.Модель контура и график переходного процесса изображены на рисунках 5.2, 5.3.

Переходный процесс контура тока с учетом обратной связи по ЭДС двигателя приведен на рис. 5.4.



Рисунок 5.4 - Модель контура и график переходного процесса

Обратная связь по ЭДС двигателя (без учета составляющей по моменту упругому), уменьшает установившиеся значение тока якоря на 32,7%, что говорит о необходимости компенсации этой обратной связи по ЭДС двигателя.

Переходный процесс в контуре тока с обратной связью по ЭДС двигателя и учетом ее компенсации изображены на рис. 5.5.



Рисунок 5.5 - Модель контура и график переходного процесса

Переходный процесс в контуре тока при компенсации влияния ЭДС двигателя показал практически полное совпадение с графиком при стандартной настройке этого контура.

5.3 Синтез контура скорости двигателя

Для оптимизации следующего контура передаточную функцию оптимизированного контура тока заменим передаточной функцией:

, (3.8)

где - постоянная времени инерционного звена, определяющая наилучшее приближение передаточной функции к требуемой , коэффициенты которой определены с помощью требуемых оптимальных показателей качества процессов регулирования. Определим оптимальную величину постоянной времени при замене передаточной функции на и получаемую при этом погрешность приближения этих функций. Степень приближения аппроксимированной передаточной функции к оптимальной передаточной функции может быть оценена величиной интеграла от квадрата ошибки между выходными сигналами этих звеньев при одном и том же входном сигнале [6].

. (3.9)

Теорема Релея позволяет вычислять интеграл от квадрата ошибки по следующему выражению:

, (3.10)

где - амплитудный спектр переходной составляющей ошибки на входе системы.

При этом если изображение - дробно-рациональная функция, где и - полиномы от р, то интеграл от квадрата ошибки может быть представлен в виде:

. (3.11)

Изображение единичного ступенчатого входного сигнала имеет вид:



Тогда изображение ошибки можно записать выражением:

. (3.12)

Согласно выражений (3.11) и (3.12) получаем:

, (3.13)

.

Интеграл от квадрата ошибки можно записать через коэффициенты полиномов для следующим выражением:

. (3.14)

Подставив значение коэффициентов из (3.13) в (3.14) получим значение интеграла от квадрата ошибки:

. (3.15)

Выражение (3.15) характеризует ошибку отклонений переходной функции аппроксимированного звена как функцию параметров. Минимизировать эту ошибку можно, если взять частные производные выражения (2.11) по этим параметрам и, приравняв их к нулю, решить систему уравнений.

Определение оптимальной величины постоянной времени удобно производить непосредственно из выражения интегральной квадратичной ошибки (3.15), изобразив ее как функцию одного параметра и посчитав остальные значения параметров фиксированными. Оптимальная величина отличается от в выражении (3.2) при на 10%, то есть наилучшее приближение передаточной функции к осуществляется при . Величину поправки для различных можно определить по рис. в процентном отношении от величины или по эмпирической формуле:

, (3.16)

где и - коэффициенты характеристического уравнения в выражении (3.2).

При этом компенсирующая обратная положительная связь по ЭДС двигателя, перенесенная на вход регулятора тока, будет иметь передаточную функцию:

. (3.17)

В наиболее простом случае, если не учитывать внутренних обратных связей, для оптимизации контуров скорости двигателя, тока нагрузки упругого элемента, скорость механизма, имеющих в объекте регулирования интегрирующие звенья, можно применить пропорциональные регуляторы с коэффициентами усиления соответственно: , , .

Если обратная отрицательная связь по току нагрузки упругого элемента компенсирована такой же положительной обратной связью, то тогда:

Рисунок 5.6 - Структурная схема контура скорости

, (3.18)

, (3.19)

, при (3.20)

, (3.21)

где ;

.

; (3.22)

(3.23)

Рисунок 5.7 - Структурная схема контура скорости в нашем случае

(3.24)

- п.ф. компенсирующей обратной «+» связи по току нагрузки упругого элемента, подаваемая на вход регулятора скорости двигателя.

5.4 Моделирование контура скорости двигателя

Модель контура и график переходного процесса изображены на рисунке 5.8.



Рисунок 5.8 - Модель контура скорости двигателя и график переходного процесса

Модель и переходный процесс в контуре скорости двигателя с учетом влияния внутренней отрицательной обратной связи по нагрузке упругого элемента приведены на рис. 5.9.



Рисунок 5.9 - Модель контура скорости двигателя с учетом влияния внутренней отрицательной обратной связи по нагрузке упругого элемента и график переходного процесса

Наблюдается ухудшение качества переходного процесса.

Переходный процесс в контуре скорости с компенсацией отрицательной обратной связи по упругому элементу и модель контура приведены на рис. 5.10.



Рисунок 5.10 - Модель контура скорости двигателя и график переходного процесса в контуре с учетом компенсации влияния внутренней отрицательной обратной связи по нагрузке упругого элемента

Переходный процесс в контуре скорости при компенсации отрицательной обратной связи по упругому элементу, показал практически полное совпадение с графиком при стандартной настройки этого контура.

5.5 Синтез контура упругого элемента

Рисунок 5.11 - Структурная схема контура упругого элемента

Ч

, при (3.25)

,

где .

Рисунок 5.12 - Структурная схема контура упругого элемента

Компенсирующая положительная связь по скорости рабочего органа, подаваемая на вход регулятора нагрузки упругого элемента, имеет передаточную функцию:

. (3.26)

5.5 Моделирование контура нагрузки упругого элемента

Модель контура нагрузки упругого элемента и график переходного процесса изображены на рисунке 5.13.

Рисунок 5.13 - Модель контура нагрузки упругого элемента и график переходного процесса

Переходный процесс в контуре нагрузке упругого элемента с влиянием внутренней отрицательной обратной связи по скорости изображены на рисунке 5.14.

Рисунок 5.14 - Модель контура и график переходного процесса

Наблюдается ухудшение качества переходного процесса.

3 Переходный процесс в контуре нагрузке упругого элемента с компенсацией отрицательной обратной связи по скорости .



Рисунок 5.15 - Модель контура и график переходного процесса

Переходный процесс в контуре нагрузке упругого элемента при компенсации отрицательной обратной связи по скорости , показал практически полное совпадение с графиком при стандартной настройки этого контура. Модель контура и график переходного процесса изображены на рисунке 3.9

5.7 Синтез контура скорости

Рисунок 5.16 - Структурная схема контура скорости

,

Рисунок 5.17 - Структурная схема контура скорости в нашем случае

Передаточная функция оптимизированного контура скорости рабочего органа

, (3.27)

где - передаточный коэффициент замкнутого контура скорости рабочего органа;



- постоянная времени оптимизированного контура рабочего органа.

5.8 Моделирование контура скорости

1 Переходный процесс в контуре скорости

Рисунок 5.18 - Модель контура и график переходного процесса

Модель контура и график переходного процесса изображены на рисунке 5.18.

5.9 Погрешности расчета четырехконтурной системы подчиненного регулирования

Структурная схема четырехконтурной системы подчиненного регулирования тока якорной цепи, скорости двигателя, тока нагрузки упругого элемента и скорости рабочего органа представлена на рисунке (5.19)

Компенсация обратных отрицательных связей объекта и использование усеченных передаточных функций оптимизированных контуров регулирования были произведены с целью упрощения синтеза системы. Замена передаточной функции второго порядка передаточной функцией

(3.28)

первого порядка вносит в расчет небольшую погрешность, которой, как показала практика использования двухконтурных систем, можно пренебречь при соотношениях параметров .

При синтезе многоконтурных систем подчиненного регулирования, в результате упрощения передаточных функций оптимизированных контуров, аналогично производится аппроксимация передаточных функций второго порядка и передаточными функциями первого порядка. Но в реальной системе это будет соответствовать замене передаточной функции третьего порядка для контура скорости двигателя и передаточной функции четвертого порядка для контура тока нагрузки упругого элемента при оптимизации по «модульному оптимуму» представляются соответственно выражениями

 (3.29)

(3.30)

Результаты вычислений относительных интегральных квадратичных ошибок, полученных при замене выражений (3.29) и (3.30) передаточными функциями первого порядка (), приведены в табл. 3.1.

Таблица 5.1 - Расчет интегральных квадратичных ошибок

	2	3	4
	1	3,8	8,1

Погрешность приближения передаточных функций оказалась соизмеримой для всех контуров при настройке их по «модульному оптимуму». Однако увеличение интегральных квадратичных оценок также влияет на неточность компенсации обратных отрицательных связей. Для расчетов примем некомпенсируемую постоянную времени тиристорного преобразователя , тогда постоянные времени оптимизированных контуров тока якорной цепи, скорости двигателя, тока нагрузки упругого элемента, скорости рабочего органа составляют соответственно 0,02 с; 0,04 с; 0,08 с; 0,16 с.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

6. Переходные процессы в системе подчиненного регулирования

Анализ переходных процессов: частоты вращения двигателя, скорости ковша, момента упругого и тока двигателя показал их соответствия стандартной настройке на модульный оптимум. Время пуска электропривода под нагрузкой не превышает 1,5 секунды. Графики переходных процессов приведены на рисунке 6.1 и рисунке 6.2.

Рисунок 6.1 - Кривые переходного процесса четырехконтурной двухмассовой СПР, при

Рисунок 6.2 - Кривые переходного процесса четырехконтурной двухмассовой СПР, при

7. Расчет элементов принципиальной схемы системы автоматического регулирования

Передаточная функция регулятора тока при настройке системы на модульный оптимум имеет передаточную функцию

Этому уравнению соответствует ПИ-регулятор:

Рисунок 7.1 - Схема ПИ-регулятора

Постоянная времени цепи обратной связи

Задаемся

Постоянная времени интегрирования

Передаточный коэффициент цепи обратной связи по току

Передаточный коэффициент шунта

,

где - номинальное напряжение шунта;

где - номинальный ток шунта.

Коэффициент передачи датчика тока

Входное сопротивление регулятора тока от цепи обратной связи

Расчет регулятора скорости двигателя

Рисунок 7.2 - Схема регулятора скорости двигателя

Передаточная функция регулятора скорости

Этому уравнению соответствует П-регулятор скорости с передаточным коэффициентом

Передаточный коэффициент обратной связи по скорости

Здесь - передаточный коэффициент датчика скорости равный передаточному коэффициенту тахогенератора (при отсутствии делителя напряжения);

,

где - номинальное напряжение тахогенератора;

где - скорость вращения тахогенератора.

Входное сопротивление регулятора скорости по цепи обратной связи

,

Где принято .

Выходное сопротивление регулятора скорости

Принимаем .

Расчет регулятора упругого элемента

Рисунок 7.3 - Схема регулятора упругого элемента

Передаточная функция регулятора упругого элемента имеет вид:

Передаточный коэффициент по упругому элементу

Входное сопротивление регулятора упругого элемента по цепи задания

,

где принято .

Расчет регулятора скорости .

Передаточная функция регулятора скорости имеет вид:

Согласно передаточной функции регулятора скорости соответствует ПИ-регулятор скорости с передаточным коэффициентом

Передаточный коэффициент обратной связи по скорости равно

Выходное сопротивление регулятора скорости :

,

где принято .

Входное сопротивление регулятора скорости по цепи обратной связи принимаем

Расчет регуляторов компенсирующих обратных связей

Рисунок 7.4 - Схема регулятора компенсирующих обратных связей

Передаточную функцию , представим передаточной функцией регулятора, которая имеет вид . Задаемся

;

;

Передаточную функцию

заменим эквивалентной передаточной функцией

Постоянную времени фильтра принимаем на порядок меньше минимальной постоянной времени. Тогда , где - постоянная времени вентильного преобразователя.

Рисунок 7.5 - Схема регулятора компенсирующих обратных связей

; ;

, где

Косвенные вычисления тока нагрузки упругого элемента и скорости рабочего органа

При определении регулируемых переменных косвенным методом необходимо учитывать возможность реализации требуемых вычислений. Если в электромеханической системе измеряются только ток якорной цепи и скорость двигателя, то ток нагрузки упругого элемента можно вычислить по формуле