Министерство  образования РФ 

Пермский  Государственный Технический Университет 

кафедра Электрификации и Автоматизации  Горных Предприятий 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому  проекту по автоматизированному  электроприводу горных машин и механизмов по схеме АВК. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: студент гр. ЭАПУ-07-2         Печенкин А. С.

Проверил:  преподаватель                       Седунин А. М. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Пермь - 2011

Содержание.

Задание по курсовому  проекту……………………………………………3

Введение…………………………………………………………………….4

Выбор вентилятора  главного проветривания…………………………….5

Выбор двигателя  для  вентиляторной установки………………………...6

Расчет и  выбор остального электрооборудования……………………….7

Разработка  и построение  математической  модели  электропривода…11

Моделирование  системы  АВК  на  ЭВМ………………………………..17

Заключение…………………………………………………………………18

Список  литературы………………………………………………………..19 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Задание по курсовому  проекту 

Разработать электропривод вентилятора главного проветривания шахты  (схема АВК).

Режим работы – длительный;

Наименование  объекта – вентилятор главного проветривания;

Условия:

• производительность 160 ¸ 200 м³/с;
• статическое давление   270 ¸ 400 кгс/м²;
• тип вентилятора – центробежный;
• Трот  = 0,01 сек;
• Rрот = 0,008 Ом;
• САУ статическая с ошибкой ;

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Введение. 

      Электропривод по схеме « Асинхронно-вентильного  каскада » получил широкое  распространение в промышленности. Электропривод применяется, в основном, тогда, когда скорость требуется регулировать в малом диапазоне (сверху) и когда не требуется высокая точность регулирования. Это обуславливает применение « Асинхронно-вентильного каскада » в электроприводах со спокойным графиком нагрузки, т. е. у которых момент на валу изменяется не очень сильно (вентиляторы, компрессоры, насосы).

      АВК является наиболее экономичной системой регулируемого электропривода переменного  тока, так как в ней преобразуется  лишь часть энергии, потребляемой асинхронной  машиной - энергия скольжения.

      В ряде случаев установленная мощность преобразователя АВК пропорциональна  глубине регулирования и составляет лишь часть мощности привода.

      Однако  АВК присущи ряд недостатков, основным из которых является низкий коэффициент мощности, при этом максимальное потребление реактивной мощности имеет место в верхнем диапазоне регулирования скорости, являющимся обычно весьма продолжительным.

      Процесс регулирования скорости в каскадных  схемах включения асинхронного двигателя  осуществляется введением встречной  добавочной ЭДС, которая изменяется путем уменьшения (увеличения) угла отпирания тиристоров инвертора, в его роторную цепь. Если добавочная Э.Д.С. в роторной цепи равна нулю, то ток ротора определяется только Э.Д.С. обмотки ротора и ее параметрами. При введении в цепь ротора добавочной Э.Д.С. часть энергии скольжения потребляется источником добавочной Э.Д.С., а количество энергии, выделяемой в обмотке ротора, уменьшается, что приводит к уменьшению тока ротора. Уменьшение тока ротора вызовет уменьшение момента, развиваемого двигателем, который становится меньше статического момента нагрузки (Мст), скорость двигателя начинает уменьшаться, а ее уменьшение приводит к увеличению скольжения, а значит и Э.Д.С. ротора. Увеличение Э.Д.С. ротора приводит к увеличению тока ротора и момента двигателя.

      Когда момент, развиваемый двигателем, вновь  станет равным статическому моменту, двигатель  перестанет замедляться и вновь  будет работать в установившемся режиме, но уже при более низкой, чем ранее, скорости. Из сказанного вытекает, что при увеличении добавочной Э.Д.С. в роторе угловая скорость двигателя уменьшается, а при уменьшении – увеличивается. При добавочной Э.Д.С. равной нулю двигатель работает на механической характеристике, близкой к естественной. 
 
 
 

      3. Выбор вентилятора  главного проветривания.

 

      По  исходным данным Q и Р выбираем центробежный вентилятор               ВЦД 31,5 дм. 

      Техническая  характеристика  вентиляторной  установки:

• диаметр рабочего колеса, дм                                                                    3150
• частота вращения вала, об/мин                                                                 600
• статический КПД:

        максимальный                                                                                        0,84

        средневзвешенный в нормальной области работы                             0,74

• подача в рабочей зоне при статическом КПД более 0,6 м³/с                  35¸305
• статическое давление в рабочей зоне                                                                      при статическом КПД более 0,6кгс/м²                                              50¸510
• динамический момент инерции вращающихся частей, Н*м²                350000

4. Выбор двигателя  для  вентиляторной  установки.

Рассчитываем  мощность двигателя:

 

                   

где  Q = 200 м³/с  – максимальная производительность;                                       Р = 400 кгс/м² – статическое давление;                                                        Кз = 1,1 – коэффициент запаса;                                                                        hв = 0,74 – КПД вентилятора;                                                                      hпер = 1 – КПД передачи (без редуктора); 

      По  расчетной мощности Рдврасч выбираем асинхронный двигатель с фазным ротором типа АКН2-18-53-16МУХЛ4.

Паспортные  данные двигателя  АКН2-18-53-16МУХЛ4:

• Мощность N, кВт                                                                                    1250
• Напряжение статора U, В                                                                       6000
• Ток статора Iст,  А                                                                                   163
• Скорость вращения n, об/мин                                                                580
• Напряжение ротора Uр, В                                                                       835
• Ток ротора Iр,  А                                                                                      650
• Скольжение S, %                                                                                      1,15
• КПД (при нагрузке 1/1),  %                                                                     94,7
• Соs j (при нагрузке 1/1)                                                                          0,78
• Ммах/Мном                                                                                              2,4
• Вращающий момент,  кН·м²                                                                    31,9

5. Расчет и выбор остального электрооборудования.

Выбор оборудования роторной цепи.

 

      Выбор выпрямителя, инвертора и трансформатора инвертора по мощности напрямую зависит  от требуемой глубины регулирования  скорости вращения двигателя, т.е. от максимального  скольжения.

      S=1, т. к. пуск привода происходит в схеме каскада с регулированием до нуля.

Выбор трансформатора инвертора.

 

      Трансформатор инвертора выбирается по току и напряжению вторичных обмоток.

Напряжение  вторичной обмотки трансформатора инвертора:

                          

где: К1 = 1,35 – коэффициент мостовой схемы  Ларионова;

    Uр = 835  -  напряжение на роторе двигателя, В;

    Sмах  = 1 -  максимальное скольжение;

К2 – коэффициент, зависящий от схемы  соединения вентилей инвертора (для  трехфазной мостовой схемы К2 = 2,34);

    b - угол опережения открывания вентилей инвертора (угол управления);

Примечание: во избежание прорыва инвертора bmin принимают не менее 15°. 

Выпрямленный  ток ротора двигателя: 

                             

Ток вторичной обмотки трансформатора инвертора:

                           

где  К_2и – коэффициент зависящий  от  схемы  соединения   вентилей   (для  трехфазной  мостовой  схемы   К_2i =0,815) 

Мощность  трансформатора  насчитывается  по  формуле 

                       

      Габаритная  мощность  трансформатора   должна  превышать   мощность  найденную  по  выше  приведенным  формулам,  вследствие  того,  что  необходимо  компенсировать  потоки вынужденного  намагничивания  сердечников  трансформатора.  Это  превышение  для  трехфазной  мостовой  схемы  составляет  4,5%

      С  учетом  приведенного замечания   получаем,  что  мощность  трансформатора  должна  быть  не  менее  952  кВА.

      Выбираем  трансформатор  типа  ТМБ-1000/10-82У1

Паспортные  данные:

 
 

Выбор  тиритсторного  преобразователя.

       Выбор  преобразователя   осуществляется  по  выпрямленному   току  и   максимальному  напряжению  ротора

       Id=748 А,

 Выбираем  преобразователь  КУ  АВК  из  каталога  08,10,32,-94

Техническая  характеристика:

Мощность, кВт                                                                                 1000

Напряжение  силового  выпрямителя  (от  обмоток  ротора), В  1130

Напряжение   питания  силового  инвертора,  В                            1575

Максимальное  рабочее  выпрямленное  напряжение:

Выпрямителя,  В                                                                                1520

Инвертора, В                                                                                      1520

Номинальный  выпрямленный  ток, А                                             750

Частоты,  Гц                                                                                        50

Выбор  дросселя.

Ток  через  дроссель:   I_др=I_d=748 А

Индуктивное  сопротивление  реактора     

Индуктивность  дросселя   

Выбираем  и  дросселя  СРОС3-800М УХЛ4, которые  входят  в  комплект  поставки КУ  АВК 1000.

Выбор  шунта.

 

Шунт  выбираем  из  условия:   I_ш>I_d

Выбираем  шунт  типа  75ШСМ-1000. I_шн=1000 А. U_шн =75 мВ. R_ш=75*10^-5 Ом

Выбор  тахогенератора. 

Тахогенератор  выбирается из  условия  n_тг>n_дв  Выбираем  тахогенератор П.Ч 1  U_я =230 В.  U_в=220/110 В.  I_в=1 А.  n_тг =750 об/мин.

Выбор  выключателя.

Выбираем  выключатель типа  ВАТ  42 – 2000/660-А-У4

Выбор  высоковольтного  оборудования.

Распределительные  устройства  выбираем  по  U_н.дв  и I_н.дв. Выбираем  комплектные  распределительные  устройства   КРУ – 10 –20.

Технические  данные:

I_н=630 А.  U_н= 6-10 кВ.

Электро  динамическая  устойчивость – 52 кА

Термическая  устойчивость –20 кА

Выключатель – ВМПЭ – 10; I_н=630 А.  I_откл=20 кА 

время откл-0,07-0,095

время  вкл  АРВ-0,5с.

   тип  привода –ПЭВ-11А 

      Серия  включает  в  себя  следующие  исполнения  шкафов:  ввода,  отходящих  линий, секционного  выключателя,  трансформатора  напряжения  и  трансформатора  собственных нужд. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      6. Разработка  и  построение  математической  модели  электропривода. 

      Систему  управления  эл.приводом  строим  по  принципу  подчиненного  регулирования  на  элементах  УБСР-АИ,  система  статическая, так как регулятор  скорости пропорциональный, и такая  система получается однократно-интегрирующей по управляющему воздействию, т.е. ошибка по скорости будет проявляться при наличии сигнала возмущения.  САР  привода  по  схеме  вентильного  каскада содержит  два  контура:

• контур  выпрямленного  тока  ротора  двигателя.
• контур  скорости  двигателя.

      Наша  задача – составить  структурную  схему  электропривода и  определить  передаточные  функции   регуляторов.

      Опишем  объект  регулирования:

 

R_э=0,008 Ом – эквивалентное сопротивление цепи  ротора;

Т_э= 0,01 сек – компенсируемая  постоянная  времени;

К_м – коэффициент отношения момента двигателя к выпрямленному току 

 
 
 

J –  момент  инерции  приведенный  

J= J_дв+ J_вент =31,9+350 =381,9 кНм² 

В  роторную  цепь  включается  инвертор. 

 

где  =0,02 сек- не компенсируемая  постоянная  времени;

Ки –  передаточный  коэффициент  инвертора. 

Ки =Ер/10=1520/10=152 

Здесь  10В – напряжение  управления, подаваемое  в  СИФУ  инвертора. 
 
 

Опишем  контур  тока: 

 

где   а_т- степень демпфирования по  току;

t - сумма некомпенсированных  малых постоянных  времени. 

Ко.т. –  коэффициент  обратной  связи  по  току. 

Ко.т.=  2/I_d = 0,003 

-ПИ регулятор 

Тm = t =0,02 

Опишем  контур  скорости.  Передаточная  функция  регулятора  скорости  запишемся (П-регулятор): 

 передаточный  коэффициент   обратной  связи  по  скорости. 

а_с – коэффициенты  демпфирования контура скорости. 
 

      Конечная  структурная схема  электропривода  по  схеме АВК приведена в  графической части. 

Согласно структурной  схемы:  

 

                          

                                  

Из  передаточной  функции   разомкнутой  системы  по  управляющему  воздействию  в  соответствии  со  структурной  схемой  получим  зависимость  для  расчета   регулировочной  характеристики  привода  в  разомкнутой  системе: 

 

Из  передаточной  функции  по  возмущаемому  воздействию определим  механические  характеристики  привода  в  разомкнутой  системе: 

 

В  замкнутой  системе  механические  характеристики  привода  жесткие  и  не  зависят  от  нагрузки. Регулировочная  характеристика: 

Для  компенсации   Е_дв  в  начальный  момент  пуска  подается  напряжение  смещения  U_см:

 

Расчет  элементов  системы  управления

 

Расчет  параметров  регуляторов  тока:

Его  передаточная  функция  имеет  вид: 

 

Пропорциональная  часть:     

Интегральная  часть:       

R_зт=R_ос.т=15 кОм Отношение R_зт   и R_ос.т   будет  равно  коэффициенту  усиления  пропорциональной  части  регулятора. 

 

  ;     из условия технического  оптимума. 

 

Емкость  конденсатора  С_от  определяется  через  постоянную  времени  ИЧ  регулятора:

;

Для  исключения  влияния  пульсирующего  характера   тока  и  напряжения  снимаемых с шунта,  на  вход  датчика  тока   нужно  установить  фильтр. Принимаем  R_ф=10 Ом;  Т_ф=0,006 с.    С_ф=Т_ф/R_ф=600 мкФ. 
 

Расчет  регулятора  скорости. 

Представим  регулятор  скорости  в  виде: 

 

Передаточная  функция  регулятора  скорости: 

   

Где J- момент  инерции приведенный:   J =381,9 кНм² ;  к_ос= 0.017241; к_м=27.553 Нм/А;  а_т=2; а_с  - демпфирование по  скорости   а_{с =} 4;  

Принимаем  R_зс =R_ос.с =15 кОм.  получим: 

 
 
 

Так как  коэффициент  усиления  датчика  скорости =1,  то  обеспечить  данный  коэффициент  обратной  связи  можно  за  счет  делителя  напряжения: 
 
 

                       ;

    

 
 
 

      Т.к. тахогенератор прецензионный, обладающий малыми пульсациями напряжения, фильтр на входе датчика скорости не ставим. 

    Согласно  структурной схемы можно записать уравнения, описывающие работу каждого  звена: 
 

1)           

2)           

3)           

4)           

5)          

6)           

7)         

В целом  описание всей системы управления примет следующий вид:

Приведем  полученную систему к виду, требуемым  для численного решения методом  Рунге-Кутты на ЭВМ:

 
 
 
 
 
 
 
 

где:

 
 
 
 
 
 
 

7. Моделирование   системы  АВК   на  ЭВМ. 

       В  курсовом  проектировании  построение  было  произведено   путем  моделирования  системы   АВК  вентилятора   главного  проветривания  на  ЭВМ.   Для  отладки  системы,  работы  системы  управления  электропривода  были  проведены   следующие  исследования:

1. _{Ступенчатое  воздействие  управляющего  сигнала.}
2. _{Возмущающие  воздействие  момента  статического  в  номинальном  режиме  работы.}

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

8. Заключение. 
 

    Нами была разработана система электропривода вентилятора главного проветривания шахты по схеме АВК. Был проведен выбор оборудования, смоделирована система управления электроприводом и рассчитаны на ЭВМ динамические процессы.