Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Асинхронный электропривод вентилятора

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт – Энергетический

Направление – Электротехника, электромеханика и электротехнологии

Кафедра – Электропривода и электрооборудования

Асинхронный электропривод вентилятора

(Тема выпускной квалификационной работы)

Выпускная квалификационная работа

(на соискание степени бакалавр)

Студент гр. 7А94 ___________________ З. З. Шамсутдинова

^{(номер
группы)} ^{(подпись)}

___________________

^(дата)

Руководитель ___________________ А. И. Сапожников

^{(подпись)}

___________________

^(дата)

Допустить к защите:

Заведующий кафедрой ЭПЭО,

Доцент, канд. техн. наук _________________ Ю.Н. Дементьев

^{(подпись)}

__________________

^(дата)

Томск – 2013

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Электропривода и электрооборудования»

УТВЕРЖДАЮ

Зав.кафедрой _________ _Ю.Н.Дементьев

^{(Подпись)} ^{(И.О. Фамилия)}

«____»______________2013г.

ЗАДАНИЕ

на выполнение выпускной квалификационной работы

Студенту группы 7А94 Шамсутдиновой Зульфие Закеровне

Тема выпускной квалификационной работы Асинхронный электропривод вентилятора

(утверждена приказом ректора (распоряжением декана) № от « » 2013 г.

2.Срок сдачи студентом готовой работы _05.06.2013г._______________________ ____

3.Исходные данные к работе

Производительность 108 м³/с;

Напор (давление) – 2254 Нм;

Механическая характеристика вентилятора М/М_Н=0,05+0,95(n/n_Н)²

КПД 0,65

Диапазон регулирования: 1:3;

4.Содержание расчётно-пояснительной записки (перечень вопросов, подлежащих разработке)

4.1. Выбор и обоснование регулируемого электропривода

4.2. Расчет и выбор силового оборудования системы регулируемого электропривода .

4.3. Расчет естественных и искуственных характеристик

4.4. Моделирование

4.5. Расчет параметров структурной схемы

4.6. Разработка функциональной схемы системы регулируемого электропривода.

5. Дата выдачи задания на выполнение выпускной квалификационной работы

Руководитель

_________________________________

^{(подпись, дата, И.О. Фамилия)}

Задание принял к исполнению

__________________________________

^{(подпись, дата, И.О. Фамилия)}

РЕФЕРАТ

Выпускная работа содержит 51 страницы, 20 рисунок, 16 таблиц, 8 источников.

Ключевые слова: асинхронный двигатель, асинхронно – вентильный каскад, электропривод, вентилятор.

Цель работы − провести выбор, расчет и исследование электропривода шахтного вентилятора и выбрать необходимое оборудование.

В работе произведен расчет мощности и выбор асинхронного двигателя (АД), асинхронного вентильного каскада.

Сделан расчет параметров двигателя асинхронного вентильного каскада, преобразователя, произведен выбор электрического оборудования вентилятора.

С помощью имитационной модели в MATLAB R2011a проведено исследование АД, получены переходные характеристики.

Выпускная работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2010, также для расчетов использовалась программа MathCad 14. Для обработки графиков использовалась программа Microsoft Visio. Работа представлена на CD – диске (в конверте на обороте обложки).

Содержание

Выпускная квалификационная работа 1

ВВЕДЕНИЕ 6

1. ВЫБОР И обоснование регулируемого электропривода 8

2. Расчет и выбор силового оборудования системы регулируемого электропривода 11

2.1. Расчет мощности двигателя и предварительный его выбор 11

2.2. Выбор преобразовательного устройства для системы регулируемого электропривода 14

2.3. Расчет и выбор основных силовых элементов системы регулируемого электропривода 16

2.3.1. Выбор трансформатора инвертора 16

2.3.2. Выбор вентилей выпрямителя роторной группы 19

2.3.3. Выбор тиристоров управляемого инвертора 21

2.3.4. Выбор сглаживающего дросселя 23

2.4. Выбор аппаратуры управления и защиты 24

2.4.1. Выбор высоковольтного выключателя 24

2.5. Расчет и выбор типа и сечения кабеля сети высокого напряжения 26

2.6. Расчет сечения и типа кабеля для вспомогательного оборудования 26

2.7. Расчет энергетических показателей электропривода 27

2.8. Расчет потребления электроэнергии вентиляторным агрегатом 29

3. Расчет статических и динамических характеристик для разомкнутой системы регулируемого электропривода 31

3.1. Расчет естественных характеристик ω=f(I), ω=f(M) системы регулируемого электропривода 31

3.2. Расчет искусственных (регулировочных) характеристик ω=f(I), ω=f(M) системы регулируемого электропривода для заданного диапазона регулирования скорости. 36

3.3. Расчет переходных процессов ω=f(t) и M=f(t) при пуске, набросе, сбросе нагрузки при мгновенном изменении задания 39

4. Расчет параметров структурной схемы 45

4.1. Составление структурной схемы силовой части регулируемого электропривода 45

4.2. Расчет параметров звеньев структурной схемы электропривода 45

5. Разработка функциональной схемы системы регулируемого электропривода 48

5.1. Составление функциональной силовой схемы регулируемого электропривода 48

5.2. Составление функциональной схемы управления регулируемого электропривода 49

Заключение 51

Список использованных источников 52

ВВЕДЕНИЕ

Темпы развития современного мира неудержимы, поэтому необходимо улучшать работы базовых отраслей производства, повышать производительности труда. Успешная работа угольной промышленности будет зависеть от создания высокопроизводительной техники, внедрения передовых технологий, автоматизации производства, создание условий работы, рационального и экономического подхода в расходовании сырья, топливно-энергетических ресурсов.

При переходе к разработке более глубоких горизонтов, угольные предприятия следует обеспечить комплексом совершенного и высокопроизводительного стационарного оборудования, включающего вентиляторные установки главного проветривания. Эти установки должны получить дальнейшее совершенствование и в конструктивном, и в эксплуатационном отношениях. Проведенные статистические исследования параметров проветривания действующих шахт и рудников за длительный период их эксплуатации показали, что свыше 40% шахт и рудников имеют большой диапазон изменения количества подаваемого воздуха, а давление для перемещения воздуха по выработкам изменяется в два и более раза[1]. Это приводит к тому, что более половины всех вентиляторов работают с КПД ниже 0.6 [1]. Эксплуатация непрерывно круглосуточно работающего вентилятора с низким КПД приводит к чрезмерно большому расходу электроэнергии.

Снизить неоправданный расход электроэнергии можно, используя на вентиляторах регулируемый электропривод. Опыт эксплуатации электрооборудования регулируемого электропривода на вентиляторных установках показал целесообразность их применения, как с точки зрения экономичности работы вентилятора, так и с точки зрения настройки вентилятора на заданный режим работы [1].

Целью данной выпускной квалификационной работы является разработка асинхронного электропривода шахтного вентилятора главного проветривания для Шахты «Садкинская», который будет соответствовать техническим условиям и требованиям.

Исходя из цели работы были поставлены следующие задачи:

Выбор силового оборудования согласно техническим данным
Разработка блок схемы системы управления
Моделирование электропривода шахтного вентилятора.

ВЫБОР И обоснование регулируемого электропривода

Основные производственные процессы в механизированных угольных и сланцевых шахтах сопровождаются выделением пыли и газов, что вызывает загрязнение рудничной атмосферы.

Согласно ТБ в выработках, где находятся люди, воздух должен содержать определенное количество кислорода (не менее 20%) и метана (в исходящей струе не более 1%).

Для работающих в шахте людей достаточным количеством воздуха и создания нормальных условий труда необходима искусственная вентиляция, обеспечивающая постоянный приток свежего воздуха с поверхности и удаление загрязненного воздуха из шахты в атмосферу. Для этого, в основном, используют вентиляторы главного проветривания (ВГП), а также вентиляторы местного проветривания и ряд других технических решений.

Несоответствие режима работы вентилятора параметрам вентиляторной сети приводит к его эксплуатации вне зоны экономической работы. Основное условие экономической работы вентиляторной установки – соответствие подачи и давления развиваемых вентилятором, потребности шахты и сведения до минимума времени работы вентилятора в режимах, характеризуемых подачей в шахту избыточного количества воздуха. Это может быть осуществлено изменением режима работы вентиляторной установки, то есть изменением подачи или давления.

Существуют множество способов регулирования подачи воздуха вентиляторами, такие как дросселирование (частичное перекрытие входного или выходного потока), поворот лопаток вентилятора при останове или на ходу.

Среди прочих способов регулирования вентиляторных установок выделяется способ регулирования с помощью электропривода. Электропривод представляет собой электромеханическую систему, состоящую из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенную для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.

Современное машинное устройство или, как его называют иначе, производственный агрегат состоит из большого числа разнообразных деталей, отдельных машин и аппаратов, выполняющих различные функции. Все они в совокупности совершают работу, направленную на обеспечение определенного производственного процесса.

Электропривод имеет ряд существенных преимуществ, которые заключаются в следующем:

возможность применения вентилятора простейшей конструкции без направляющего аппарата и устройство поворота лопаток колеса;

расширенная область экономической работы.

Бесступенчатое регулирование скорости электропривода вентилятора достигается следующими схемными решениями систем электропривода:

асинхронно-машинно-вентильный каскад;
асинхронно-вентильный каскад;
асинхронный двигатель со статическим преобразователем частоты;
асинхронный двигатель в режиме двойного питания;
двигатели постоянного тока (Г-Д; УВ-Д).

Наиболее частое применение получили системы с асинхронно-вентильным каскадом [2]. АВК отличается от остальных каскадов отсутствием дополнительных машин постоянного и переменного тока. Последние заменены статическим преобразователем энергии, состоящим из трансформатора и инвертора. Трансформатор служит для согласования напряжения ротора с напряжением питающей сети. Инвертор предназначен для преобразования выпрямленного напряжения ротора в переменное с частотой сети.

В отличие от других систем регулирования двигателя, при каскадном регулировании двигатель непосредственно подключается к питающей сети [2, стр. 4]. Непосредственное питание составляет одно из важных достоинств каскадных схем. Кроме того вентильные каскады характеризуются сравнительно большим КПД. Это обусловлено тем, что в каскадных системах преобразованию подлежит только часть энергии, потребляемой приводом (энергия скольжения), в то время как при других системах управления преобразованию подлежит все количество энергии, подводимое к приводному двигателю. Вторым достоинством каскадных схем является хорошая управляемость, определяющаяся бесступенчатым регулированием, высокой жесткостью механических характеристик, малой инерционностью и малой мощностью управления [2, стр. 4].

Расчет и выбор силового оборудования системы регулируемого электропривода

Расчет мощности двигателя и предварительный его выбор

Исходные данные к работе приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные вентилятора

Производительность, м³/с	108
Напор (давление), Па	2254
КПД	0,65
Механическая характеристика вентилятора, относительные единицы
Диапазон регулирования	1:3

Для вентиляторов необходимая мощность определяется по формуле [3, стр. 126]:

, кВт, (2.1)

где, - коэффициент запаса равный 1,1÷1.3. Принимаем ;

- КПД передачи ;

- полная номинальная производительность;

- напор (давление) вентилятора;

- КПД вентилятора.

Выбираем двигатель типа АК4-400У-6У3 с номинальной мощностью , паспортные данные которого приведены в таблице 2. Габаритные размеры двигателя представлены в таблице 3 и на рисунке 1.

Таблица 2 – Паспортные данные электродвигателя типа АК4-400У-6У3

Номинальная мощность Р_ном, кВт	500
Номинальное напряжение статора, В	6000
Номинальный ток статора, А	59
Номинальная частота вращения, об/мин	980

Продолжение таблицы 2

КПД, %	93,9
сosφ, о.е.	0,87
Число пар полюсов	3
Номинальное напряжение ротора, В	680
Номинальный ток ротора, А	459
Перегрузочная способность двигателя	1,9
Масса, кг	2500
Момент инерции, кгм²	100

Рисунок 1 – Габаритные размеры двигателя

Таблица 3 – Габаритные размеры двигателя

Тип двигателя	L₁₀	L₁₁	L₃₀	L₃₄
АК4-400У-6У3	1000	1240	2055	840

По исходным данным выбираем вентилятор ВОД 18, технические данные которого представлены в таблице 4.

Вентилятор ВОД 18 предназначен для главного проветривания угольных и горно-рудных шахт, а также для вентиляционных систем предприятий других отраслей промышленности, рассчитанных на перемещение воздуха и неагрессивных газов. Реверсирование воздушной струи производится изменением направления вращения приводного двигателя с одновременным изменением угла установки лопаток направляющего и спрямляющего аппаратов. При реверсе обеспечивается подача 60-70 % воздуха от подачи при прямой работе без применения обводных каналов. Вентиляторы могут применяться как для всасывающей, так и нагнетательной вентиляции. Внешний вид вентилятора показан на рисунке 2.

Рисунок 2 – Вентилятор ВОД 18

Вентилятор ВОД-18 состоит из корпуса с направляющим и спрямляющим аппаратами, ротора, трансмиссионного вала, кока, коллектора, тормоза, диффузора, противосрывного устройства и приводного электродвигателя. Корпус имеет горизонтальный разъем, и на его опорах крепятся подшипники ротора. Направляющий и спрямляющий аппараты имеют по 11 поворотных лопаток. Одновременный поворот лопаток осуществляется электроприводом через цепную передачу.

Лопатки рабочих колес закреплены на стальных втулках колес пружинными кольцами, что позволяет поворачивать их при остановленном вентиляторе через люки на любой угол от 15 до 45° для регулирования подачи и давления.

Ротор вращается на двух двухрядных сферических и одном радиально-упорном подшипнике качения. Смазка подшипников густая и пополняется через выносные пресс-масленки. Трансмиссионный вал выполнен подвесным и соединяет приводной двигатель с ротором зубчатыми муфтами.

Вентилятор оборудован колодочным тормозом с электроприводом.

Вентилятор снабжен устройством для снятия показаний подачи и давления, состоящим из приемника давления и комплекта контрольно-измерительной аппаратуры.

Таблица 4 – Технические характеристики

Номинальный диаметр рабочего колеса, мм	1800
Подача в пределах рабочей зоны, м³/с	20-110
Статическое давление в рабочей зоне, Па	1000-4500
КПД статический максимальный	0,81
Мощность двигателя, кВт, не более	630
Частота вращения, об./мин	980
Напряжение, В	6000

Выбор преобразовательного устройства для системы регулируемого электропривода

Преобразователь выпрямительно-инверторный КВИП (Асинхронно-вентильный каскад)

Комплектный выпрямительно-инверторный преобразователь КВИП предназначен для работы в составе электропривода переменного тока, выполненного по схеме асинхронно-вентильного каскада (АВК). Внешний вид преобразовательного устройства представлен на рисунке 3. Преобразователь используется для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя с фазным ротором (АД) с отдачей энергии скольжения ротора в сеть.

Рисунок 3 –КВИП шкаф силовой, шкаф управления

Преобразователь обеспечивает выпрямление напряжения ротора электродвигателя выпрямителем, и последующее преобразование в переменное напряжение частотой 50 Гц тиристорным инвертором. С выхода инвертора преобразованная мощность скольжения электродвигателя возвращается через разделительный высоковольтный трансформатор в сеть 6 (10) кВ. Благодаря этому схема электропривода имеет высокий коэффициент полезного действия. Регулирование величины скольжения ротора электродвигателя осуществляется путем введения регулируемой противо-ЭДС в цепь ротора.

Таблица 5 – Технические характеристики преобразователя выпрямительно-инверторного КВИП

Напряжение питающей сети статора, кВ	6
Номинальный ток статора АД, А	50
Частоты питающей сети, Гц	50
Линейное напряжение ротора АД, В	750
Номинальный выпрямленный ток ротора, А	500
Эквивалентная схема: - выпрямителя - инвертора	6-пульсная мостовая 6-пульсная мостовая
Допустимый диапазон регулирования скорости	1:10

Продолжение таблицы 5

КПД, %	95
Степень защиты по ГОСТ 14254	IP21
Климатическое исполнение по ГОСТ 15543.1.	4, 3

Расчет и выбор основных силовых элементов системы регулируемого электропривода

Аппаратура вентильного каскада: выпрямитель, инвертор и трансформатор инвертора – по своей мощности зависят от требуемой глубины регулирования скорости вращения, т.е. от требуемого максимального скольжения.

Максимальное скольжение определяется из значения диапазона регулирования двигателя [4, стр. 175]:

, (2.2)

где - диапазон регулирования скорости вращения.

Номинальный выпрямленный ток ротора определяется по выражению [5, стр. 157]:

, А, (2.3)

где =459 А- номинальный ток ротора двигателя.

Выбор трансформатора инвертора

Трансформатор инвертора выбирается по току и напряжению вторичных обмоток. Методика выбора трансформатора инвертора взята [5, стр. 159].

Напряжение вторичной обмотки трансформатора:

, В, (2.4)

где =2,34- коэффициент схемы соединения вентилей инвертора для трехфазной мостовой;

=20⁰ - минимальный угол опережения, обусловленный условием опрокидывания инвертора;

=1,35- коэффициент схемы выпрямления;

=680 В- напряжение на кольцах ротора двигателя.

Ток вторичной обмотки трансформатора определяется по величине выпрямленного тока ротора I_dном, соответствующей длительной нагрузке двигателя:

, (2.5)

где =0,815 - коэффициент, зависящий от схемы соединения вентилей инвертора.

Расчетная мощность трансформатора:

, кВА. (2.6)

Линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора:

. (2.7)

По полученным данным выбираем трансформатор при выполнении условий:

1. (2.8)

2. (2.9)

3. ; (2.10)

4. ; (2.11)

5. ; (2.12)

где l_тр =2,5 - коэффициент допустимой перегрузки трансформатора.

Выбираем трансформатор ТСЗ-400/10УЗ, удовлетворяющий приведенным выше условиям.

Таблица 6 – Технические характеристики трансформатора ТСЗ-400/10УЗ

Номинальная мощность, кВА	400
Напряжение первичной обмотки, В	6000
Напряжение вторичной обмотки, В	690
Потери короткого замыкания, Вт	5400
Потери холостого хода, Вт	1300
Относительное напряжение короткого замыкания, %	5,5

Асинхронный электропривод вентилятора 📙 Дипломная → 🆔 2704