Модернизация электропривода подъёма с системы Г-Д с СМУ на систему ТП-Д экскаватора ЭШ 6.45М

Министерство образования и  науки РФ

Федеральное агентство  по образованию

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

Иркутский государственный  технический университет

 

 

 

 

 

 

Кафедра: СУЭМОГП

 

 

 

 

Курсовая работа

«Модернизация электропривода подъёма с системы Г-Д с СМУ на систему ТП-Д  экскаватора ЭШ 6.45М»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент

       гр. ГА-04-1 Зонов А.С.

 

 

Принял: Коновалов Ю. В.

 

 

 

 

 

 

Иркутск 2008

Содержание.

 

Введение………………………………………………………………………2

1. Устройство и работа электрооборудования экскаватора:

1.1 Узел задающей обмотки  блоков БН…………………………………..3

1.2 Узел жёсткой отрицательной  связи по току главной цепи……….....4

1.3 Узел жёсткой отрицательной  связи по напряжению генератора.......5

1.4 Описание работы  схем управления…………………………………...7

1.5 Схема управления  приводом подъёма………………………..………7

      2. Выбор  оборудования:

2.1 Выбор силового трансформатора………………………………..……9

2.2 Выбор тиристоров………………………………………………….…12

2.3 Выбор сглаживающего  дросселя……………………………….……13

2.4 Расчет регулировочных характеристик преобразователя………….15

2.5 Расчет статических  характеристик электропривода…………….….16

2.6 Выбор защит преобразователя…………………………………….…18

      3. Определение  параметров объекта регулирования……………...............20

      4. Определение параметров системы управления с подчиненным регулированием координат………………………………………………………….22

     Приложение 1 Основные элементы силовой схемы системы ТП-Д

    Приложение 2 Принципиальная схема электропривода системы ТП-Д

    Приложение 2 Статические характеристки

      5. Список  литературы……………………………………………………….27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Модернизадию электропривода подъёма с системы Г-Д с СМУ  на систему ТП-Д производим для улучшения характеристик привода исходя из достоинств и недостатков.

Достоинства системы  Г-Д с СМУ:

1. Высокий коэффициент мощности при применении в качестве гонного двигателя СД.
2. Возможность работы во всех режимах.
3. Широкий диапазон регулировантя.
4. Максимальное быстродействие.

Недостатки системы  Г-Д с СМУ:

1. Наличие преобразовательного агрегата с вращающимися генераторами обладающими значительной электромагнитной инерцией.
2. Износ подвижных частей, что вызывает необходимость систематических профилактических ремонтов.
3. Значительные потери электроэнергии.
4. Большие массогабаритные показатели.
5. Повышенные динамические нагрузки на электродвигатели и связанными с ними механизмами из-за недостаточного быстродействия системы Г-Д.

Достоинства системы  ТП-Д:

1. Более высокий к.п.д.
2. Меньше массогабаритные показатели и стоимость.
3. Отсутствие вращающихся частей.
4. Более низкая инерционность.

Недостатки системы  ТП-Д:

1. Необходимо применение фильтрокомпенсирующих устройств.
2. Сложность в обеспечении режима работы.

Применение ФКУ необходимо по причине использования силовых  тиристорных преобразователей для электроприводов главных механизмов, которые приводит к снижению коэффициента мощности энергетических установок экскаватора, появлению дополнительных гармоник в сети, колебаний сетевого напряжения, снижение качества системы электроснабжения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Устройство и работа электрооборудования экскаватора.

 

Для управления главными приводами экскаватора применена  система генератор-двигатель с критическим самовозбуждением генератора и подчинённым регулированием параметров приводов.

Использование критического самовозбуждения генератора позволяет  значительно снизить мощность магнитных усилителей и обеспечить наиболее благоприятный характер переходных процессов. Система управления содержит два основных контура: контур регулирования тока (момента) двигателя, подчинённый контуру регулирования напряжения (скорости) двигателя.

Регулирование напряжения двигателя осуществляется с помощью  нелинейных блоков обратных связей БН, выполненных на двухтактных магнитных усилителях, типа БД 511. Блоки БН включены на вход регуляторов тока, выполненных на силовых однотактных магнитных усилителях типа УНЗП 25-35-15, на приводе поворота УМЗП 20-28-15.

Назначение и принцип  действия основных узлов схем управления главными приводами приводится ниже.

 

 1.1 Узел задающей обмотки блоков БН.

 

Задающие обмотки (ОЗПП-подъём, ОЗПТ-тяга, ОЗПВ-поворот) создают намагничивающие ампервитки блоков БН. Величина и полярность ампервитков задающих обмоток определяет величину и направление скорости вращения привода. Задающие обмотки питаются от напряжения генератора собственных нужд 110 В постоянного тока. Полярность тока в обмотке и его величина регулируется при помощи командоконтроллера, изменением сопротивления резистора 1СД.

Схема включения задающих обмоток блоков БН.

 

Рис. 1

1.2 Узел жёсткой отрицательной связи по току главной цепи.

 

Токовые обмотки (ОТСП-подъём, ОТСТ-тяга, ОТСВ-поворот) силовых усилителей служат для ограничения моментов и токов главных приводов до предельно  допустимых значений.

Согласно требованиям  экскаваторной механической характеристики привода, ограничение момента имеет нелинейный характер, т.е. наступает с определённого значения. Это требование выполняется использования нелинейности характеристики магнитных усилителей.

Токовая связь действует  непрерывно, включение токовой обмотки  показано на рис. 2.

Токовая обмотка получает питание с участка главной  цепи, образованного обмоткой дополнительных полюсов генератора и двигателя. Величина сигнала обратной связи прямо пропорциональна величине тока якоря т.к. напряжение ΔU_т, линейно связано с величиной тока якоря: ΔU_т=I_яΔR; где ΔR-сопротивление участка КЕ главной цепи.

Рис. 2

Намагничивающая сила задающей обмотки в схемах с магнитной  отсечкой выбирается таким образом, чтобы установившийся режим работы на основной скорости соответствовал насыщенному участку характеристики магнитного усилителя (рис. 3а), где ток на выходе МУ, практически не зависит от ве личины задающих ампервитков.

б) Механическая характеристика привода.

При росте нагрузки на валу двигателя (копание) ток якоря  увеличивается, под действием напряжения ΔU_т по цепи токовой обмотки начинает протекать ток I_т.

                                     а)                                                               б)

Рис. 3

Намагничивающая сила F_т вычитается из намагничивающей силы задающей обмотки F_з, уменьшая результирующую намагничивающую силу управления. Так как работа происходит на насыщенном участке характеристики МУ (участок ВА на рис. 3б), что соответствует подающему участку механической характеристики (АС на рис. 3б). уменьшение скорости двигателя на этом участке происходит в основном за счёт уменьшения ЭДС генератора под действием токовой обмотки. Отрицательная связь по току ограничивает ток якоря во всех режимах работы привода. При пусках и торможениях, если ток якоря превышает ток отсечки, действие токовой связи обеспечивает уменьшения темпа изменения ЭДС генератора.

 

1.3 Узел жёсткой отрицательной связи по напряжению генератора.

 

Обмотки отрицательной  обратной связи по напряжению генератора (ОНПП-подъём, ОНПТ-тяга, ОНПВ-поворот) блоков БН (рис. 4) предназначены для:

• Получение жёсткого участка статическомеханической характеристики;
• Создания в переходных процессах форсировок по напряжению возбуждения;
• Обеспечения стабилизации переходных процессов, путём введения связи по ЭДС генератора.

Намагничивающая сила задающей обмотки F_з выбирается в несколько раз больше, чем результирующая намагничивающая сила усилителя, необходимая для создания расчётной ЭДС генератора в установившемся режиме. Отношение задающей намагничивающей силы усилителя F_з к результирующей намагничивающей силы F_р называется коэффициентом форсировки.

Так как ЭДС генератора в начале равна нулю, то под действием  намагничивающей силы задающей обмотки усилитель выдаёт повышенное напряжение U_в.нач., приложенное к обмотке возбуждения генератора в переходном процессе . создаётся форсировка возбуждения U_в.нач=αU_в.уст., благодаря чемусокращается время переходного процесса. При пуске привода по мере роста напряжения генератора ток и намагничивающая сила отрицательной связи по напряжению генератора увеличивается, уменьшается результирующая намагничивающая сила на выходе усилителя и напряжение подаваемое на обмотку возбуждения генератора также уменьшается.

Схема форсировки переходного процесса при наличии отрицательной связи по напряжению генератора(см. Рис. 4).

Рис. 4

При торможении установкой командоконтролёра в нулевое  положение задающий сигнал исчезает намагничивающая сила отрицательной связи по напряжению генератора перемагничивает усилитель. К обмотке возбуждения генератора прикладывается повышенное напряжение отрицательной полярности( Рис. 5б). Величина этого напряжения остаётся неизменной в течении почти всего процесса торможения благодаря нелинейному характеру отрицательной связи.

                                     а)                                                          б)

Рис. 5

При реверсе так же как и при торможении повышенное напряжение отрицательной полярности прикладывается к обмотке возбуждения генератора.

После подачи задающего  сигнала F_з, процесс увеличения напряжения генератора и скорости двигателя будут продолжаться до тех пор, пока напряжение генератора не достигнет установившегося значения, при котором разность намагничивающей силы задающей обмотки и обмотки отрицательной связи по напряжению генератора будет равна результирующей намагничивающей силе F_ур.

 

 

 

1.4 Описание работы схем управления.

Регулирование скорости привода происходит изменением напряжения генератора, от которого питаются двигатели главных  приводов, цепи якорей которых соединены  последовательно. Обмотки возбуждения  двигателей соединены параллельно и через добавочное сопротивление включаются непосредственно на зажимы генератора собственных нужд. При работе с полным потоком часть сопротивления в цепи возбуждения двигателей шунтируется контактами контактора.

Генератор главных приводов имеет две обмотки возбуждения: шунтовую и независимую.

Шунтовая обмотка генератора создаёт  ампервитков намагничивания. сопротивление в цепи шунтовой обмотки устанавливается критическим, т.е. используется режим критического самовозбуждения генератора.

Характеристика холостого зода генератора.

Рис. 6

При критическом самовозбуждении  прямая характеристика шунтовой обмотки  имеет тот же наклон, что линейная часть кривой характеристики холостого хода генератора. Генератор с критическим самовозбуждением не только имеет значительно сниженную требуемую мощность независимого возбуждения, но и обладает благоприятными динамическими свойствами, важными для электроприводов экскаваторов драглайнов. Независимая обмотка генератора, состоящая из двух обмоток, питается от силовых магнитных усилителей, соединённых по мостовой схеме.

 

1.5 Схема управления приводом подъёма.

 

Силовой магнитный усилитель  УМСП имеет 4-е обмотки управления. Обмотка ОТСП (1Н-1Н) осуществляет жёсткую, непрерывную отрицательную обратную связь по току главной цепи.

Обмотка ОЗСП (2Н-2Н) создаёт, намагничивающие ампервитки усилителя и включена на выход блока усилителей УМПП.

Обмотка ОС (4Н-4К) создаёт постоянное подмагничивание (смещение) для выбора рабочей точки усилителя, питается через выпрямитель от напряжения 127 В. Одна обмотка усителя подъёма резервная.

Блок нелинейности УМПП имеет обмотку ОНПП-осуществляет жёсткую обратную отрицательную  связь по напряжению генератора, ОТПП-осуществляет обратную положительную связь по току якоря (увеличивает жёсткость механической характеристики на рабочем участке), ОЗПП-создаёт намагничивающие ампервитки блока УМПП. Управление приводом осуществляется путём воздействия на цепь обмотки ОЗПП с помощью командоконтроллера подъёма ККП.

При переводе рукоятки контроллера ККП в первое положение «на себя» замкнётся контакт К1. при этом появиться сигнал на выходе УМПП, задающая обмотка ОЗСП получить питание. Появиться сигнал на выходе силовых магнитных усилителей, независимые обмотки возбуждения генератора получат питание и на генераторе появиться напряжение. При переводе командоконтроллера во 2-е, 3-е, 4-е положение замыкаются контакты контроллера К5, К4, К3, задающая намагничивающая сила ОЗПП возрастает, привод работает соответственно на 2-й, 3-й, и 4-й скорости.

Остановка привода осуществляется установкой рукоятки командоконтроллера в нулевое положение. Шунтовая обмотка ОШГП поддерживает прежнее напряжение, а обмотка ОНПП будет намагничивать силовой магнитный усилитель в противоположном направлении, т.е. уменьшится напряжение генератора. В результате этого произойдёт равномерное и быстрое торможение привода.

Работа привода в  режиме опускания происходит при  перемещении рукоятки командоконтроллера «от себя», замыкается контакт.

Отличие состоит в  том, что при напряжении генератора равном 85-90% от начального получает питание реле РНП, контактор КОП теряет питание и привод работает в режиме с ослабленным возбуждением двигателей, вводится сопротивление 110С (121-125). Скорость двигателей возрастает на 20-25% от номинальной.

Остановка привода происходит аналогично и в режиме подъёма.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор оборудования.

 

Двигатель  ДЭ 816

Р_н=190 кВт; I_н=760 А; U_н=270 В; n_н=740 об/мин; r_я=0,0055 Ом; Р=4;

J_дв=16,2 кгм; r_доп=0,003 Ом

Количество двигателей -2

 

2.1 Выбор силового трансформатора

 

Типовая мощность трансформатора:

 

где          

                   -коэффициент схемы

                   -коэффициент запаса по напряжению

                   - коэффициент, учитывающий отклонение формы анодного тока от прямой

                   -коэффициент, учитывающий падение напряжения при коммутации в дросселях и вентилях.

                   В - напряжение нагрузки

                   А - ток нагрузки

 

Необходимое фазное напряжение вторичной обмотки согласующего трансформатора.

где          

                   - коэффициент, характеризующий отношение напряжений в идеальном выпрямителе и зависящий от схемы выпрямления (для трёхфазной мостовой схемы равен 2,34)

 

Линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора

Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора

где - коэффициент, характеризующий отношение токов I₂/I_d в идеальном выпрямителе и зависящий от схемы выпрямления для (трёхфазной мостовой схемы равен 2,34)

По полученным данным выбираем трансформатор при выполнении условия и определяются параметры силовой цепи с учетом технических данных трансформатора

По полученным значениям и выбираем трансформатор ТСЗ-1000/10 со следующими параметрами: S_тр =1000 кВА,U_2л =690 В,                 U_1л = 6000В,  Р_хх =3000 Вт,   Р_кз =11200 кВт, U_к = 5,5%, .

Номинальные значения фазного напряжения вторичной обмотки:

Номинальный ток вторичной  обмотки трансформатора

Номинальный ток первичной  обмотки трансформатора

Активное и индуктивное  сопротивление трансформатора, приведенного ко вторичной обмотке

 

где -коэффициент трансформации

Индуктивное сопротивление трансформатора

Активное сопротивление  сглаживающего дросселя предварительно может быть принято:

где -число фаз трансформатора

Эквивалентное активное сопротивление преобразователя:

где - эквивалентное активное сопротивление, учитывающее снижение выпрямленного напряжения из-за коммутационного процесса в преобразователе

Максимальное значение выпрямленного напряжения :

Напряжение преобразователя  при минимальном значении угла регулирования :

Напряжение преобразователя  при номинальной нагрузке:

Напряжение преобразователя  при падении напряжения сети на 5%:

 трансформатор удовлетворяет  требованиям

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Выбор тиристоров.

 

Среднее значение выпрямленного тока через вентиль при пуске электропривода:

где характеризует отношение

Максимальное обратное напряжение на вентиле:

где

Необходимо применение тиристоров с предельным током I_n>I_в.ср.=502 А и рекомендуемым рабочим напряжением U_р>U_обр=978 В. Принимаем к установке тиристоры Т143 - 630 10 класса I_уд.=13,5 кА, U_р=1000 В

Для охлаждения тиристоров принимаем охладитель марки О243 – 150 с принудительным воздушным охлаждением (6 м/с) позволяют нагружать тиристоры током до 450 А. При номинальной нагрузке двигателя через приборы протекает ток I_{вср.ном}=251 А что меньше допустимого значения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Выбор сглаживающего дросселя

 

Необходимая индуктивность  цепи выпрямленного тока из условия  обеспечения непрерывного тока двигателя при минимальной нагрузке:

где - круговая частота сети   

      -минимальный ток

 

Требование непрерывности  тока двигателя означает, что амплитуда  переменной составляющей тока якоря должна быть меньше минимальной величины среднего значения тока нагрузки

Необходимая индуктивность  цепи выпрямленного тока из условия  ограничения пульсации тока величиной 0,05

где - действительное значения выпрямленного напряжения

Необходимая индуктивность для ограничения тока через вентили при  коротком замыкании:

- максимально допустимый ток  для вентиля

Найденная величина индуктивности является максимальной индуктивностью дросселя, до которой она может снижаться при насыщении его током короткого замыкания.

Индуктивность фазы трансформатора:

Индуктивность якоря  двигателя:

где - номинальная угловая частота вращения.

Требуемая индуктивность сглаживающего дросселя.

Принимаем к установке  реактор типа ФРОС 1000/0,5У3 с номинальным  током 800 А и индуктивностью 5 мГн. Активное сопротивление сглаживающего дросселя при потерях в обмотке 7,2 мОм.

 

 

При выборе дросселей  должны выполняться условия:

L_др.н≥L_др; I_др.н≥_Idn.

Активное сопротивление  якорной цепи двигателя:

- коэффициент, учитывающий сопротивление  при перегреве

Эквивалентное сопротивление  цепи преобразователя

Активное сопротивление  цепи выпрямленного тока:

Индуктивность цепи выпрямленного  тока:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4 Расчет регулировочных характеристик преобразователя.

 

Регулировочная характеристика преобразователя при условном х.х. может быть построена по уравнению

Зависимость напряжения на якоре двигателя в функции  угла регулирования:

Начальный угол регулирования:

 эл. град.

Так как начальный  угол регулирования по результатам  расчётов получился слишком высоким, потребуется дополнительная установка ФКУ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.5 Расчет статических характеристик электропривода.

 

Коэффициент ЭДС эквивалентного двигателя:

 

Режим хх координаты одной  точки 

Задаемся различными значениями угла :

 

                                                          

                                                  

                                                        

                                                          

                                                        

Перепад скорости для  всего семейства характеристик  один и тот же вследствие параллельности характеристик.

Координату второй точки  можно определить при , тогда перепад скорости для всего семейства характеристик один и тот же:

Координаты второй точки  вычисляют из следующего выражения:

       

   

  

  

Величину граничного тока зоны прерывистых токов вычисляем  согласно выражению:

                                                     

                                                            

                                                            

                                                             

                                                            

Электромеханические характеристики электропривода системы ТП-Д приведены на рис 7.

 

Рис. 7 Статические характеристики системы ТП-Д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.6 Выбор защит преобразователя.

 

Выбор предохранителей  производим по номинальному напряжению выпрямителя и току тиристоров.

Принимаем к установке предохранители.

ПП-57-34 со следующими данными: I_ном=250 А; I_пл.вст.=250 А; U_ном=660 В.

Для защиты преобразователя  устанавливаем автомат типа А3700 на вторичной обмотке трансформатора.

Номинальный ток расцепителя  автомата :

Ток уставки э/м расцепителя  автомата не должен превышать величину тока через тиристор при к.з. на стороне  постоянного тока.

Выбираем автомат А3790Б  В А

Для защиты тиристоров от к.з. замыкаются на стороне постоянного тока выбираем автомат:

ВА – 53 – 39  А В

Для защиты силовых приборов от перенапряжений применяются RC-цепочки.

Сопротивление R₁,включаемое последовательно с С₁, ограничивает броски тока при разрядке конденсатора:

Для уменьшения перенапряжения, связанная с отключением  силовых  трансформаторов, параллельно вторичным обмоткам, включаются цепочки R₂C₂:

=1,5 коэффициент допустимого превышения  номинального обратного напряжения

Напряжение на конденсаторах 

Величину R2 определяется:

Ток в разрядных контурах:

 

Мощность рассеиваемая разрядными сопротивлениями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Определение параметров объекта регулирования.

 

Структурная схема электропривода по системе УВ-Д состоит из последовательно соединенных инерционных и интегрирующих звеньев с внутренней обратной связью по ЭДС(скорости) двигателя.

 

Рис. 8 Структурные схемы электропривода ТП-Д.

Управляемый выпрямитель представлен инерционным звеном с передаточным коэффициентом:

где - максимальное напряжение на входе СИФУ, В

       - напряжение на выходе выпрямителя,В

При наличии фильтра с постоянной времени с на входе СИФУ преобразователь, который с достаточной точностью может быть представлен инерционным звеном с электромагнитной постоянной времени :

Передаточный коэффициент второго инерционного звена:

- активное сопротивление цепи  выпрямленного тока, Ом

Постоянная времени этого звена:

  - индуктивность цепи выпрямленного тока Гн.

Передаточный коэффициент  интегрирующего звена определяется по выражению:

Постоянная времени  этого звена является электромеханической  постоянной привода: