Регулируемые электропривод шахтного вентилятор

Содержание

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

 «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

 

Кафедра «Электропривода и электрооборудования»

УТВЕРЖДАЮ:

Зав. кафедрой__________________/Ю.Н.Дементьев/

«___»___________________2011 г.

 

 

ЗАДАНИЕ

на  выполнение выпускной квалификационной работы

на соискание квалификации БАКАЛАВР

Студенту  гр: 7А74  Клиничеву Александру Леонидовичу

1. Тема выпускной  квалификационной работы: «Регулируемые электропривод шахтного вентилятора».

утверждена  приказом ректора (распоряжением проректора-директора  ЭНИН)

от ___________№_________

2. Срок сдачи  студентом готовой работы 01.06. 2011 г.

3. Исходные данные  к работе:

Производительность, Q_В=4 м³/с,

Напор(давление), H=0,06·10⁵ Па,

КПД вентилятора, η_в=0,55

КПД передачи η=1

4. Содержание  текстового документа:

Реферат.

4.1. Введение.

4.2.Общие сведения  о вентиляторах.

4.3 Расчет мощности  двигателя и предварительный  его выбор.

4.4.Выбор вентилятора.

4.5.Выбор преобразовательного устройства для регулируемого электропривода.

4.6. Выбор аппаратуры защиты и управления.

4.7. Расчет энергетических показателей электропривода.

4.9. Расчет статических  и динамических характеристик  электропривода.

4.10. Расчет искусственных (регулировочных) характеристик для регулируемого электропривода.

4.11. Расчет электромеханических переходных характеристик при пуске, набросе и сбросе нагрузки, при мгновенном изменении задания.

4.12.  Разработка функциональной схемы системы регулируемого электропривода.

4.13.Заключение.

4.14.Список литературы.

 

Руководитель:	__________ подпись	__________ дата	Н.В. Гусев
Задание принял к исполнению
	__________ подпись	__________ дата	А.Л. Клиничев

 

 

 

Реферат

 

Выпускная квалификационная работа содержит 51 с., 30 рисунков, 12 таблиц , 4 источника.

Ключевые слова:  ЭЛЕКТРОПРИВОД, ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ВЕНТИЛЯТОР, АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ, ЕСТЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ИСКУСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ.

Объектом исследования является регулируемый электропривод шахтного вентилятора по системе преобразователь частоты - асинхронный двигатель.

Цель работы – исследование регулируемого электропривода шахтного вентилятора по системе ПЧ–АД с короткозамкнутым ротором.

В процессе работы использовалось как специальное  обеспечение (MATLAB R2010), так и стандартные программы (Microsoft Word, Microsoft Excel, Microsoft Visio).

В результате выполнения курсового проекта была осуществлена разработка электропривода переменного  тока с автоматическим управлением, соответствующая условиям технического задания.

Достигнутые технико-эксплуатационные показатели: высокие показатели переходных процессов (перерегулирование, быстродействие), относительно высокие энергетические показатели системы.

Курсовой проект выполнен в текстовом редакторе Microsoft Office Word 2007.

 

 

 

 

Введение

Атмосфера подземных  горных выработок шахт в силу ограниченного их объема легко насыщается различными вредностями техногенного или природного характера. Превышение допустимых концентраций вредностей опасно для здоровья и жизни работающих в выработках и ограничивает возможности проведения производственных процессов. Основное направление борьбы с вредностями в подземных горных выработках – их разжижение подаваемым в выработки свежим воздухом до допустимых концентраций.

Современное горное предприятие немыслимо без принудительной вентиляции. Прекращение проветривания влечет за собой остановку всего технологического комплекса шахты или рудника, к выводу людей на поверхность, прекращению работы всех машин и механизмов. От надежной, безотказной работы системы проветривания полностью зависит безопасность, а зачастую и жизнь людей, работающих в шахте.

Возникновение движения воздуха в некотором  объеме связано с наличием в этом объеме зон, обладающих более высоким уровнем энергии по сравнению с уровнем, необходимым для состояния покоя. Воздух движется от зоны с большим энергетическим уровнем к зоне с меньшим уровнем.

В связи с  необходимостью наличия в шахтных  условиях надежного, необходимой мощности и управляемого источника сил движения воздуха, в качестве основного источника этих сил используется вентилятор.

Вентиляторы широко применяются во всех отраслях промышленности. На их привод расходуется огромное количество электроэнергии, вырабатываемой в стране. В частности, в горной отрасли на привод вентиляторов, обслуживающих шахту, уходит до 8 ¸ 10% электроэнергии расходуемой всей шахтой. В связи с этим, создание высокоэкономичных вентиляторов и правильное их использование имеет большое экономическое значение.

Целью моей работы является расчет электропривода вентилятора, удовлетворяющего техническим условиям и требованиям.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Классификация вентиляторов, их конструкция

Вентиляционные  сети шахт представляют собой совокупность большого количества подземных выработок, отличающихся разнообразием параметров, влияющих на аэродинамику этих сетей. Эти параметры постоянно меняются, следовательно, меняется и аэродинамика сетей.

Выработки могут иметь  различную форму поперечного  сечения, величина этого сечения  колеблется в пределах от 3 м² до 40 м². В больших пределах колеблется и длина выработок, доходя иногда до нескольких тысяч метров. Степень шероховатости стенок выработок, влияющая на величину аэродинамического сопротивления, зависит от типа и размеров крепи выработок и тоже меняется в широких пределах.

Потребители воздуха в  шахте отличаются большим разнообразием как по количеству необходимого воздуха, так и по времени его подачи. В качестве потребителя может фигурировать отдельная выработка, так и вся шахта или значительная ее часть.

Эти обстоятельства привели  к необходимости создания группы специализированных шахтных вентиляторов, отвечающих по своим параметрам запросам горной отрасли.

Основное отличие шахтных  вентиляторов от вентиляторов, применяющихся в других отраслях промышленности – большая производительность при довольно высоких параметрах по давлению. Производительность этих вентиляторов может доходить до 500¸600 м3/с, величина разности давления, создаваемая шахтными вентиляторами, ограничивается значением 0,5¸10,0 кПа.

По своему назначению шахтные вентиляторы условно  подразделяются на три группы:

• главные вентиляторы, обслуживающие вентиляционную сеть всей шахты или большей ее части;
• вспомогательные вентиляторы, обслуживающие значительную часть вентиляционной сети шахты или работающие совместно с главным;
• вентиляторы местного проветривания (ВМП), обеспечивающие воздухом отдельный забой, выработку или рабочее место.

В качестве главных  и вспомогательных могут применяться одни и те же вентиляторы значительных размеров. ВМП составляют отдельную группу вентиляторов, отличающихся небольшими размерами, малой мощностью привода и, как правило, небольшой производительностью.

1.1. Конструкции шахтных вентиляторов

Все выпускающиеся  для горной отрасли вентиляторы  относятся по конструкции к так  называемым «лопастным нагнетателям». В вентиляторах этого типа энергия вращающегося ротора преобразовывается в потенциальную и кинетическую, в свою очередь сообщаемые перемещаемому воздуху.

Лопастные вентиляторы  в соответствии с характером движения воздуха в них и формы ротора (рабочего колеса) подразделяются на осевые и радиальные, последние более известны как центробежные.

Осевые вентиляторы. Осевой вентилятор (рис.1) состоит из рабочего колеса (РК) 1, на втулке которого закреплены профильные (в форме крыла самолета) лопатки 2; рабочее колесо вращается в цилиндрическом корпусе или, как его часто называют, кожухе 3. За рабочим колесом располагается спрямляющий аппарат (СА) с неподвижными лопатками 4.

Вращающееся рабочее  колесо с помощью лопаток передает энергию привода перемещаемому воздуху. Лопатки рабочих колес изготавливаются из стали или пластмасс (для вентиляторов малых размеров).

Лопатки рабочего колеса могут иметь несимметричный или симметричный профиль. Осевые вентиляторы с лопатками рабочих колес симметричного типа являются реверсивными, поскольку их производительность не меняется при изменении направления вращения рабочего колеса на обратное. Вентиляторы с рабочими лопатками несимметричного типа этим качеством не обладают, их производительность при изменении направления вращения рабочего колеса резко снижается, но эти вентиляторы имеют хорошие аэродинамические характеристики и повышенный коэффициент полезного действия. Спрямляющий аппарат обеспечивает плавный переход воздуха от лопаток рабочего колеса к выходу в диффузор или сеть и частично преобразует динамическое давление в движущемся потоке воздуха в статическое давление.

Рисунок 1 – Схема осевого вентилятора: 1 – рабочее колесо; 2 – лопатки рабочего колеса; 3 – кожух; 4 – спрямляющий аппарат; 5 – коллектор;

6 – диффузор.

 

В конструкцию  шахтных вентиляторов вводятся два обтекателя, назначение которых заключается в снижении аэродинамических потерь, связанных с резким изменением скоростей движения воздуха. Передний обтекатель устанавливается во входном коллекторе, перед рабочим колесом или направляющим аппаратом, задний – после спрямляющего аппарата, перед диффузором или входом в вентиляционную сеть.

В осевых вентиляторах направление  движения воздушного потока совпадает с осью вращения рабочего колеса. Воздух засасывается в коллектор 5, проходит между лопатками вращающегося рабочего колеса, затем поступает в спрямляющий аппарат, оттуда в диффузор 6 и выбрасывается в атмосферу ( при работе вентилятора на всасывание).

Осевые вентиляторы могут  быть одноступенчатыми (с одним рабочим колесом) и двухступенчатыми. В последнем случае в кожухе вентилятора находятся две ступени, работающие последовательно и имеющие каждая свое рабочее колесо.

Между рабочими колесами находится  промежуточный на правляющий аппарат (НА). Конструктивно направляющий аппарат состоит из неподвижных профильных лопаток или профильных лопаток с регулируемым углом установки. Назначение направляющего аппарата – подача воздуха к рабочему колесу, установленному за ним в определенном, более эффективном направлении, и преобразование значительной части кинетической энергии потока (динамического давления) в потенциальную (статическое давление). Спрямляющий аппарат устанавливается за вторым рабочим колесом по ходу струи. Обе ступени могут находиться на одном валу или на отдельных валах (вентилятор ВОД-16). Наличие двух ступеней позволяет вентилятору развивать более высокое давление.

Центробежные вентиляторы. Основу вентилятора (рис.2) составляет рабочее колесо 1, между передним и задним дисками которого закреплены профильные крыловидные лопатки таким образом, что их входная кромка располагается на окружности меньшего радиуса, чем выходная хвостовая часть. Рабочее колесо может быть с лопатками, загнутыми вперед по ходу колеса, радиальными и загнутыми назад, назначение рабочего колеса –передавать энергию привода вентилятора перемещаемому воздуху. Рабочее колесо вращается в спиральном кожухе 2, выполненном из листовой стали. Улиткообразный кожух предназначен для подачи воздуха в определенном направлении и частичного преобразования динамического давления в потоке воздуха в статическое давление. Воздух засасывается в вентилятор через входной коллектор 3, в котором установлены не вращающиеся, а только поворачивающиеся каждая относительно своей оси лопатки 4 направляющего аппарата. Направляющий аппарат предназначен для подачи воздуха к рабочему колесу с определенной скоростью и под определенным углом, это позволяет регулировать рабочие режимы вентилятора.

Рисунок 2 – Схема центробежного вентилятора: 1– рабочее колесо;

2 –спиральный кожух; 3 – входной коллектор;

4 – лопатки направляющего аппарата; 5 – диффузор

 

В рабочее колесо воздух входит параллельно оси вала вентилятора, затем под действием  тяги, развиваемой лопатками, и центробежной силы поворачивает на 90⁰, проходит между лопатками, выбрасывается в периферийную часть кожуха и выходит через диффузор 5 в атмосферу (при работе вентилятора на всасывание). Диффузор является дополнительным преобразователем динамического давления в потоке на выходе из кожуха в давление статическое.

Центробежные  вентиляторы могут выполняться  с односторонним или двусторонним всасом. В последнем случае на валу вентилятора устанавливается спаренное рабочее колесо, соединенное втулками большего диаметра. Воздух поступает на рабочее колесо с двух сторон, из двух направляющих аппаратов. Двустороннее всасывание позволяет разгрузить подшипники вала от осевого давления и уменьшить сопротивление движущемуся воздуху во всасывающей части. Последнее обстоятельство позволяет увеличить производительность центробежного вентилятора.

Достоинства осевых вентиляторов:

• относительная простота конструкции;
• простота монтажа, меньшая площадь под установку;
• простота реверса воздушной струи (большинство современных осевых вентиляторов вообще не нуждаются в устройстве реверсивных каналов);
• относительно высокая производительность;
• более высокий коэффициент полезного действия;
• удобство применения вентиляторов этого типа в качестве передвижных ВМП.

Достоинства центробежных вентиляторов:

• высокая механическая надежность и больший срок службы, связанные с применением более низких скоростей вращения рабочего колеса;
• высокая устойчивость и надежность рабочих режимов, связанные с видом характеристик этих вентиляторов;
• меньшая шумность при работе;
• относительно высокая депрессия;
• большая глубина регулирования;
• меньшая чувствительность к загрязненному воздуху.

Выпускаемые для  горной отрасли вентиляторы могут  одинаково эффективно работать как на всасывание, так и на нагнетание.

1.2 Применение центробежных вентиляторов

Центробежные  вентиляторы получили широкое применение на шахтах в качестве вентиляторов главного проветривания. В основном, их применяют когда необходимо более высокое давление (более 3 кН/м), для преодоления сопротивления шахтной сети.

При нормальной работе вентилятора воздух из шахты, как показано сплошными стрелками, поступает по вентиляционному каналу 1 к вентилятору 2 и выбрасывается им в атмосферу. Ляды (перекрывающая 3, атмосферная, переключающая 5 и диффузора 6) установлены в положениях, показанные сплошными линиями. При реверсировании все ляды, за исключением ляды 5, устанавливают в положение, показанное штриховыми линиями. Воздух из атмосферы, как показано штриховыми стрелками, поступает через диффузор вентилятора2, обводной канал 7 и канал 1 в шахту. При этом подается 90 – 95% воздуха от расхода его при нормальной работе. Так как главная вентиляционная установка состоит из двух вентиляторов, то ляда 5 отключает вентилятор (ее положение при этом показано штрихами), когда в работе будет второй вентилятор. Реверсирование воздушной струи должно быть произведено не более чем за 10 минут, при этом подача воздуха в шахту должна составлять не менее 60% его подачи при нормальном направлении вентиляционной струи.

Рисунок 3 – Вентиляционный канал и работа вентилятора в шахтных помещениях

2. Расчет и выбор силового оборудования системы

2.1 Расчет мощности двигателя и предварительный его выбор

Исходные данные к работе:

Производительность ;

Напор (давление) ;

КПД .

Коэффициент запаса

_{Для вентиляторов необходимая мощность определяется по формуле [7, стр.265]:}

По справочнику [8] выбираем двигатель типа 4А225М4У3 с номинальной мощностью .

 Условие выполняется.

Технические данные электродвигателя

     Таблица 1

Типо- размер				При номинальной нагрузке
4А225М4У3	1500	380	55	1.4	0.9	92.5	10.0	0.64

 

				Степень защиты
1.2	2.5	1.0	7.0	IP44

 

 

 

 

 

Параметры схемы  замещения электродвигателя

 

         Таблица 2

4.2	0.027	0.086	0.015	0.14

2.2. Расчетные параметры электродвигателя

Синхронная  угловая частота вращения двигателя

.

Номинальная частота вращения двигателя

.

Номинальный момент двигателя

.

Номинальное фазное напряжение и номинальный фазный и линейный ток статора:

;

.

Максимальный потребляемый ток двигателя при прямом пуске

.

Критический момент двигателя  на естественной характеристике

.

Пусковой момент двигателя при прямом пуске

2.3. Расчетные параметры схемы замещения электродвигателя

 

При создании электроприводов  с двигателями переменного тока часто сталкиваются с проблемой  определения параметров асинхронного двигателя, которые необходимы для проектирования и настройки системы управления электроприводом, а также для моделирования переходных процессов в асинхронном электроприводе.

Одним их возможных  вариантов определения параметров АД является метод использования конструктивных параметров электрической машины, но он обладает существенным недостатком, который заключается в том, что разработчикам электропривода эти параметры не всегда доступны, и, кроме того, необходимо располагать соответствующими методиками расчёта.

Для расчета  электромеханических и механических характеристик асинхронного двигателя  необходимо воспользоваться его  математической моделью, которая в  общем случае представляется различными схемами замещения. Наиболее простой  и удобной для инженерных расчетов асинхронного двигателя является Т-образная схема замещения, рисунок 4.

Рисунок 4– Схема замещения асинхронного двигателя

                                

 

Расчет параметров Т-образной схемы замещения в абсолютных единицах приведен ниже.

Активное сопротивление  обмотки статора

.

Индуктивное сопротивление  рассеяния обмотки статора

.

Индуктивность обмотки статора, обусловленная  потоком рассеяния

.

Приведенное к  обмотке статора активное сопротивление обмотки ротора

.

Приведенное к  обмотке статора индуктивное  сопротивление рассеяния обмотки  ротора

.

Приведенная индуктивность  обмотки ротора, обусловленная потоком  рассеяния

.

Индуктивное сопротивление короткого замыкания  при номинальном режиме

.

 

Индуктивное сопротивление  контура намагничивания (главное  индуктивное сопротивление)

.

Результирующая  индуктивность, обусловленная магнитным потоком в воздушном зазоре, создаваемым суммарным действием токов статора (индуктивность контура намагничивания)

.

Полученные  параметры Т-образной схемы замещения  электродвигателя 4А225М4У3 сведены в таблицу 3.

 

Параметры схемы  замещения электродвигателя 4A112М4

Таблица 3

R1,Ом	X1,Ом	L1,Гн	Xµ,Ом	Lµ,Гн	R’2,Ом	X’2,Ом	L’2,Гн	Xкн,Ом
0,059	0,189	0.602×10-3	9,23	0,029	0,033	0,307	0.98×10-3	0,496

 

2.4. Выбор вентилятора

По данным выбранного двигателя выбираем из справочника вентилятор ВЦ-11.

Рисунок 5 – Внешний вид центробежного вентилятора ВЦ 11

Центробежный  вентилятор ВЦ 11 предназначен для шурфового  проветривания шахт и рудников. Он может также применяться для  главного проветривания мелких шахт и рудников с устройством обводных каналов, в калориферных установках, при проходке стволов шахт, в системах отопления и вентиляции, для охлаждения электрических машин и для других промышленных целей.

Рисунок 6 – Общий вид вентилятора ВЦ 11

 

Таблица 4

1. Электродвигатель;
2. Рама;
3. Вал;
4. Всасывающий конус;
5. Рабочее колесо;
6. Направляющий аппарат;
7. Корпус;
8. Диффузор.

Ротор представляет собой вал с насаженными  на него подшипниками, рабочим колесом  и муфтой. Рабочее колесо усеченно-конической формы состоит из коренного и  покрывного дисков и сварных лопаток. Корпус вентилятора сварной. Параметры вентилятора регулируются изменением угла поворота лопаток направляющего аппарата. Все узлы устанавливаются на общей раме, что позволяет производить быстрый монтаж и демонтаж вентилятора.

Технические характеристики вентилятора  ВЦ 11

Таблица 5

Диаметр рабочего колеса, мм	1100
Подача,м3/с номинальная в рабочей  зоне	16 2-20
Давление,  даПа номинальное в рабочей  зоне	325 20-380
КПД	0,85
Мощность  электродвигателя, кВт	55
Напряжение, В	380
Частота вращения, мин-1	1450
Масса, кг	2590

Рисунок 7 – Аэродинамические свойства центробежного вентилятора ВЦ 11

При обеспечении  защиты двигателя от атмосферных  воздействий допускается использование  вентиляторов в условиях умеренного климата первой категории размещения. 

Вентиляторы могут  эксплуатироваться в сейсмически  опасных зонах. Температура окружающей среды от -40°С до +40°С (45°С  для вентиляторов тропического исполнения). 

Вентиляторы используются для перемещения воздуха и других газовых смесей с содержанием пыли и твердых примесей не более 100 мг/м³  и не содержащих липких веществ и волокнистых материалов.   

Взрывозащищенные  вентиляторы не применимы для  перемещения газопаровоздушных  смесей от технологических установок, в которых взрывоопасные вещества нагреваются выше температуры их самовоспламенения или находятся под избыточным давлением.

Не рекомендуется  параллельная работа нескольких вентиляторов без элементов сети. При работе на всасывание, необходим диффузор на выходе.

5. Выбор преобразователя частоты

 

Частотный преобразователь (ЧП) служит для плавного регулирования скорости асинхронного электродвигателя за счет создания на выходе преобразователя электрического напряжения заданной частоты. Частотный преобразователь состоит из выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный, и инвертора (преобразователя), преобразующего постоянный ток в переменный требуемых частоты и амплитуды. Выходные тиристоры (GTO) или транзисторы (IGBT) обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя.