Курсовая работа: Автоматизированный электропривод многоканатной подъемной установки

1.РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА_______ 3

1.1. Исходные данные для проектирования многоканатной ШПУ____ 3

1.2.Выбор скипа______________________________________________ 3

1.3.Выбор подъемных канатов__________________________________ 5

1.4.Выбор многоканатной подъемной машины____________________ 6

1.5.Условие нескольжения шкива по ведущему валу_______________ 7

1.6.Продолжительность подъемной операции_____________________ 8

1.7.Кинематика подъемной установки____________________________ 9

1.8. Динамика подъемной установки____________________________ 11

2. СИЛОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА________________ 16

2.1. Исходные данные для расчета динамики электропривода______ 16

2.2. Выбор тиристорного преобразователя_______________________ 17

2.3. Выбор силового трансформатора___________________________ 18

2.4. Расчет сглаживающего реактора____________________________ 18

2.5. Расчет автоматического выключателя в якорной цепи_________ 21

2.6.Выбор тиристорного возбудителя___________________________ 21

2.7. Выбор тахогенератора в цепи ОС по скорости________________ 23

3. АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ___ 24

3.1. Расчет системы подчиненного регулирования координат электропривода        25

3.2.Расчет контура регулирования тока возбуждения______________ 25

3.3. Расчет контура регулирования тока якорной цепи____________ 27

3.4. Расчет контура регулирования скорости_____________________ 30

4. Список используемой литературы____________________________ 35

Основными параметрами механической  части шахтной подъемной  установки (ШПУ) являются такие величины, как  оптимальная  масса поднимаемого груза, диаметр головных и  хвостовых канатов, оптимальные скорость, ускорение и  замедление  движения, эффективная мощность подъема. Расчет этих параметров и выбор соответствующих изделий - задача проектирования механической части ШПУ.

Технические решения, принятые по  механической  части  ШПУ, служат основой для выбора той  или иной  системы электропривода. Этим завершается первый  этап проектирования автоматизированного  электропривода. Основная  задача второго  этапа проектирования - выбор комплектного тиристорного электропривода из серии КТЭУ для ШПУ, принятой на первом этапе проектирования. На основе технических решений, принятых на первом и  втором этапах проектирования, выбирают регуляторы  тока, скорости и  другие  технические средства, составляющие систему автоматического управления электроприводом «управляемый выпрямитель - двигатель» (УВ-Д).

1.1. Исходные данные для проектирования многоканатной ШПУ

Годовая проектная

производительность подъема:           Аг=2345тыс.т/год

Глубина вертикального

ствола:                               Нст=1000м

Число рабочих дней в году:            300

Число часов работы в сутки:           18

Коэффициент резерва:                  1,5

Диаграмма скорости:                   семипериодная.

1.2.Выбор скипа

1.2.1. Расчетная высота подъема с учетом расположения скипов в копре и нижней части ствола:

Н_р=Н_ст+h_загр+h_разгр+2×D=1000+30+35+2×0,35=1066 м,                      (1.1)

где Н_ст - глубина вертикального ствола;

h_загр - расстояние  по вертикали  от отметки откаточного горизонта до нижней кромки загрузочного бункера;

h_разгр - расстояние по вертикали  от «нулевой» отметки до верхней кромки приемного бункера.

1.2.2. Часовая производительность ШПУ:

                                      (1.2)

где А_ч - часовая производительность ШПУ, т/ч;

    А_г - годовая производительность ШПУ, т/год;

    с - коэффициент резерва производительности (с=1,5);

    n_д - число рабочих дней в году;

    t - время работы подъемной установки в сутки, ч.

1.2.3. Оптимальная грузоподъемность Q_опт, кг, при которой суммарные годовые эксплуатационные затраты  на  подъемной  установке будут минимальными, определяем по формуле для многоканатных двухскиповых подъемов:

                          (1.3)

где А_ч - часовая производительность, кг;

    Н_п - высота подъема, м;

    t_п - продолжительность паузы, с.

Выбираем стандартный скип 2СН11-2 грузоподъемностью Q_п=25т, массой Q_с=24,4 т, путем разгрузки h=2,4 м [1].

1.2.4. Высота подъема с учетом высоты скипа h_с=13 м:

Н=Н_р+h_с=1066+13=1079 м.                                           (1.4)

1.2.5. Расстояние от нижней приемной площадки до оси шкива трения:

Н_к=Н+l_к=1066+13+18=1097 м,                                        (1.5)

где Н - высота подъема, м;

    l_к=h_ск+18 - длина отвесов подъемных канатов в копре, м (рис.1.1.).    

1.3.Выбор подъемных канатов

1.3.1. Линейную массу каната P_к, кг/м, определим по формуле:

                        (1.6)

где Q_п и Q_с - масса полезного за один раз поднимаемого      груза и  собственная масса скипа, кг;

    s_в - временное сопротивление разрыву проволок каната   Н/м²;

    g=9,81м/с²;

    z_min=4,5 - коэффициент запаса прочности;

    r_о - условная плотность каната, кг/м³;

    Н_к - расстояние от нижней приемной площадки до оси шкива трения, м.

1.3.2. Число подъемных канатов n_к многоканатного подъема определили по формуле:

                                  (1.7)

где Р_к - линейная масса канатов, кг/м;

    D_шт - диаметр шкива трения, м;

    j_к - коэффициент, зависящий от конструкции каната;

    y - отношение D_шт к диаметру каната d_к, по ПБ для системы с отклоняющими канатами y ³ 95.   

Предварительно  применим четыре каната n_к=4, диаметром  d_к=46,5 мм, линейной  массой  каната Р_к=8,4кг/м, разрывным  усилием Q_р=1330×10³ Н [1].

1.3.3. Линейную  массу g_к уравновешивающих канатов определили  по формуле:

                                            (1.8)

где n_к - количество подъемных канатов;

Р_к - линейная масса подъемного каната, кг/м;

n_ук - количество уравновешивающих канатов, которых по ПБ должно быть не менее двух.

Применили три стандартных плоских каната  с  размерами 170´27,5 мм расчетной массой g_к=11,5 кг/м [1].

1.3.4. Разность линейных масс:

n_кР_к=n_укg_к   ½4×8,4-3×11,2½=0,9 кг/м;                               (1.9)

Считаем предварительно выбранную систему уравновешенной.

1.4.Выбор многоканатной подъемной машины

Наметим к применению многоканатную подъемную машину ЦШ-5´4 со следующими техническими характеристиками:

Диаметром канатоведущего шкива                                  D=5 м;

Количеством подъемных канатов                                     n=4;

Статическим натяжением канатов                                1450 кН;

Разностью статических натяжений канатов                        350 кН;

Маховым моментом машины                                     6250 кН×м²;

Маховым моментом отклоняющих шкивов                          500 кН×м².

1.4.1. Фактические значения статических натяжений  канатов и разности статических натяжений канатов рассчитаем по формулам:

Т_{ст max}=(Q_п+Q_с+Р_кН_к)g=(25×10³+24,4×10³+4´8,4×1097)9,81=846×10³ Н;

Т_ст=846×10³ Н(факт)<1450×10³Н(норма);                              (1.10)

F_ст=[Q_п+(Р_к-q)Н]g=[25×10³+(4×8,4-3×11,5)×1079]×9,81=236×10³Н;

F_ст=236×10³Н(факт)<350×10³Н(норма).                                (1.11)

1.4.2. Коэффициенты запаса прочности Z_о и Z_min, рассчитаем по формулам:

    (1.12) =

=

=6,3(факт)>4,5(нор),                                            (1.13)

где Z_о, Z_min - фактические значения коэффициентов запаса прочности;

Q_п, Q_с - масса полезного груза и масса сосуда, кг;

n_к, n_ук - количество подъемных и уравновешивающих канатов;

Q_р - суммарное разрывное усилие всех проволок каната, Н;

Р_к, q_к - линейная масса подъемного и уравновешивающего канатов, кг/м;

Н_к - расстояние от  нижней приемной площадки  до оси канатов ведущего шкива, м;

l_з - отвес уравновешивающих канатов в зумпфе, м.

Окончательно  применим  многоканатную  машину  типоразмера ЦШ-5´4, четыре подъемных каната типа  ЛК-РО маркировочной группы 1568 диаметром  46,5 мм  и  три  уравновешивающих каната размером 170´27,5 мм [1].

Техническая характеристика машины ЦШ-5´4:

Диаметр канатоведущего шкива                                    D_ш=5 м;

Количество подъемных канатов                                      n_к=4;

Маховый момент машины                                   GD²_м=6250 кН×м²;

Маховый момент отклоняющих шкивов                       GD²_ош=500 кН×м²;

1.5.Условие нескольжения шкива по ведущему валу

1.5.1. Статический коэффициент безопасности К_сб рассчитываем по

формуле :

                                 (1.14)

       3,3(факт)>2(норма),

где F_{ст max}=(Q_п+Q_с+pH+c)g - наибольшее возможное натяжение одной ветви каната, охватывающего ведущий шкив, Н;

F_{ст min}=(Q_с+qH-c)g - наименьшее натяжение другой ветви каната;

е - основание натурального логарифма;

f - коэффициент трения между канатами и футеровкой ведущего шкива;

a - угол охвата ведущего шкива, рад;    

с= - сопротивление движению одной ветви каната;

к=1,1 - для скипового подъема [1].

1.5.2. Максимально допустимые ускорение и замедление

(а_{1 max}, а_{3 max}) определяем по формулам :

                                      (1.15)

2,28(факт)>2(норма)

                                     (1.16)

где m₁=Q_c+qH=24,4×10³+3×11,5×1079=61,6×10³ кг;

    m₂=Q_п+Q_с+PH=25×10³+244×10³+4×8,4×1079=85,7×10³ кг;

    А=РL_вш=4×8,4×44=1478,4 кг×м;

     - приведенная масса всех       отклоняющих шкивов, кг;

    L_вш - длина подъемного каната от уровня верхней приемной площадки до соприкосновения его с ведущим шкивом трения, м.

Примем семипериодную  диаграмму скорости со значениями  ускорения и  замедления а₁=а₃=0,6м/с², а¢=а²=0,3м/с², что составляет менее 80% от максимально допустимых  значений  по правилам безопасности, и значениями скоростей V¢=V²=0,8м/с².

1.6.Продолжительность подъемной операции

1.6.1. Число подъемных операций в час n_пч определили по формуле:

n_пч=А_ч/Q_п=651×10³/24,4×10³=26.                                      (1.17)

1.6.2. Расчетная продолжительность подъемной операции Т_рп определим по формуле:

Т_рп=3600/n_пч=3600/26=139 с.                                       (1.18)

1.6.3. Продолжительность движения подъемных сосудов Т_р  рассчитаем по формуле:

Т_р=Т_рп-t_п=139-11=128с,                                            (1.19)

где t_п - продолжительность паузы, с.

1.6.4. Среднюю скорость подъема V_ср определяем по формуле :

V_ср=Н/Т_р=1079/128=8,4 м/с,                                       (1.20)

где Н - высота подъема, м.

1.6.5. Ориентировочную максимальную скорость подъема V_max рассчитаем по формуле:

V_max=a_cV_ср=1,35×8,4=11,4м/с,                                       (1.21)

где а_с - множитель скорости , принимаемый 1,15¸1,35 [1].

1.6.6. Требуемую частоту вращения n_ктш рассчитаем по формуле:

n_ктш=60V_max/pD_ктш=60×11,4/(3,14×5)=44 об/мин.                        (1.22)

1.6.7. Ориентировочная мощность приводного двигателя:

                      (1.23)

где к - коэффициент, учитывающий сопротивление воздуха при движении подъемных сосудов, трение в подшипниках направляющих шкивов, жесткость канатов (к=1,1) [1];

Q_п - масса полезного груза, кг;

Н - высота подъема, м;

g=9,81 м/с² - ускорение силы тяжести;

Т_р - продолжительность движения подъемных сосудов, с;

h_п=0,93 - КПД подъемной установки;

    r=1,3 - коэффициент динамического режима установки, учитывающий динамическую нагрузку, для скиповых многоканатных установок.

Наметим к применению  двигатель  типа  П2-800-255-КУ4, мощностью 4000 кВт, с частотой вращения 50 об/мин [1].

1.7.Кинематика подъемной установки

1.7.1. Основание  трапецеидальной  диаграммы скорости Т_о , соответствующий путь Н_о и  модуль ускорения а_м  определим по формулам:

Т_о=Т_р-t¢-t¢₁-t²₁-t²+=128-3-2-2-3+=121 c,            (1.24)

где Т_р - продолжительность движения, с;

    t¢, t¢₁, t², t²₁ -продолжительность движения скипа при ходе по разгрузочным кривым, с;  

    V¢ и V² - скорость выхода из разгрузочных кривых и входа в них, м/с;

    а₁ и а₃ - ускорение и замедление, м/с².

      (1.25)

где Н - высота подъема, м;

    h_р - путь движения скипа в разгрузочных кривых, м.

    а_м=а₁а₃/(а₁+а₃)=0,6´0,6/(0,6+0,6)=0,3 м/с.

    Причем продолжительность t¢, t¢₁ движения порожнего скипа при ходе ролика его по разгрузочным кривым, продолжительность t², t²₁ движения груженого скипа при ходе ролика по разгрузочным  кривым определим по формулам:

t¢=t²=V¢/а¢=V¢/a²=0,8/0,3=3 с;                                     (1.26)

                               (1.27)

1.7.2. Продолжительность t₁,t₃  и путь h₁,h₃ движения скипа с ускорением а₁ и замедлением а₃ найдем по формулам:

                              (1.28)

                        (1.29)

1.7.3. Путь h₂ и продолжительность t₂ равномерного движения определим по формулам:

h₂=Н-2h_p-h₁-h₃=1079-2×2,4-122-122=830 м;                          (1.30)

t₂=h₂/V_max=830/11,4=69 с.                                         (1.31)

1.7.4. Расчетную максимальную скорость подъема V_max определим по Формуле:

  (1.32)

1.7.5. Требуемая частота вращения:

                                       (1.33)

1.7.6. Продолжительность движения Т подъемных сосудов определили по формуле:

Т=t¢+t¢₁+t1+t₂+t₃+t²₁+t²=3+2+19+69+19+2+3=117 с.                   (1.34)

7.7. Фактический коэффициент резерва производительности С_ф нашли по формуле:

                                       (1.35)

где С=1,5 - коэффициент резерва производительности [1].

Окончательно примем параметры диаграммы скоростей и ускорений:

V¢=V²=0,8м/с;    t¢=t²=3с;        h_p=2,6м;    V_max=12м/с;

t₁=t₃=19с;      h₁=h₃=122м;       h₂=830м;   t₂=69с;

a¢=a²=0,3м/с²;   a₁=a₃=0,6м/с²;    Т=117с;    Н=1079м;

t¢₁=t²₁=2c .

1.8. Динамика подъемной установки

1.8.1. Масса машины типа ЦШ-5´4 m¢_м , отклоняющих шкивов m¢_ош и  двигателя типа П2-800-255-8КУ4 m¢_д , рассчитаем по формулам:

m¢_м=GD²_м/gD²_шт=6250×10³/(9,81×5²)=25,5´10³кг;                        (1.36)

m¢_ош=GD²_ош/gD²_шт=500×10³/(9,81×5²)=2039кг;                           (1.37)

m¢_д=GD²_д/gD²_шт=2400×10³/(9,81×5²)=9786кг,                            (1.38)

где GD²_м, GD²_ош, GD²_д - маховые моменты машины, отклоняющих  шкивов и якоря двигателя, Н×м².

1.8.2. Длину подъемных канатов L_пк определяем по формуле:

L_пк=Н+2h_вк+pD_шт/2=1079+2´35+3,14´5/2=1157м,                        (1.39)

где Н - высота подъема, м;

    h_вк - расстояние от верхней приемной площадки до оси шкива трения, м;

D_шт - диаметр шкива трения, м.

1.8.3. Длину уравновешивающих канатов L_ук определяем по формуле:

L_ук=Н+30=1079+30=1109 м,                                         (1.40)

где 30 - ориентировочная длина каната  на  образование петли  в зумпфе ствола и закрепление каната к подъемным сосудам, м.

1.8.4. Массу m_п всех движущихся частей подъемной  установки приведенную к окружности шкива трения, определим по формуле:

m_п=Q_п+2Q_c+L_пкР+L_укq+m¢_ош+m¢_м+m¢_д=

=25×10³+2×24,4×10³+1157×4×8,4+1109×3´11,5+25,5×10³+2039+9786=

=188´10³кг,                                                      (1.41)

где Q_п и Q_c - масса полезного груза и масса скипа, кг;

    P и q - линейная масса подъемного и уравновешивающего канатов, кг;

    L_пк и L_ук - длина подъемных и уравновешивающих канатов, кг;

m¢_ош, m¢_м, m¢_д - масса отклоняющего шкива, машины и якоря  двигателя, кг.

1.8.5. Движущие усилия F получаем из основного динамического уравнения академика М.М. Федорова (таблица1.1):

F=[1,1Q_п+(Н-2h_x)×(q-P)]g ± m_па=

=[1,1×25×10³+(1079-2×h_x)(3×11,5-4×8,4)]9,81 ± 188×10³а=

=283×10³-23,5×h_x ± 188×10³a.                                        (1.42)

1.8.6. Эквивалентное усилие F_эк рассчитываем по формуле:

F_эк=,                                                     (1.43)

где Т¢_п=к_уд(t¢+t¢₁+t₁+t₃+t²+t²₁)+t₂+k_пt_п=0,5(3×2+2×2+19×2)+69+0,25×11=96 с;

к_уд=0,5, к_п=0,25 - коэффициенты, учитывающие ухудшение  условий охлаждения во время соответственно ускоренного и  замедленного движения;

F и t - усилие и продолжительность элементарного участка  на диаграмме усилий.  

=(339400²+339381²)+(282981²+282981×282943+282943²)+

+(395744²+392874²)+(280074²+280074×260552+260552²)+

+(147752²+144883²)+(257683²+257683×257254+257254²)+

+(201254²+201221²)=9,158×10³Н;                                  (1.44)

=308862Н.

                                        Таблица 1.1

1.8.7. Коэффициент перегрузки при подъеме:

                                    (1.45)

где F_max-максимальное движущее усилие при подъеме груза, Н.

1.8.8. Номинальную мощность двигателя Р_д выбираем из условия:

                           (1.46)

Диаграммы движущих усилий приведены на рис.1.1.

Окончательно примем двигатель  П2-800-255-8КУ4  номинальной мощностью  Р_ном=5000 кВт, частотой вращения  n_ном=63 об/мин, так как разность между эквивалентной мощностью  и номинальной превышает 5%, т.е. [1]:

а перегрузка в период разгона составит:

< l_дв=  ,                               (1.47)

где l_дв - перегрузочная способность выбранного двигателя.

2. СИЛОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Основная задача второго этапа проектирования - выбор  комплектного тиристорного электропривода из серии КТЭУ для подъемной установки, принятой на первом этапе  проектирования.

2.1. Исходные данные для расчета динамики электропривода

             Двигатель

Тип                                       П2-800-255-8КУ4

Номинальная мощность                          Р_ном=5000кВт

Номинальная частота вращения                 n_ном=63об/мин

Номинальное напряжение                           U_ном=930В

Номинальный ток                                 I_ном=5740А

Номинальный момент                             М_ном=774кН×м

Номинальный поток возбуждения                 Ф_ном=0,375Вб

Коэффициент полезного действия                  h_ном=90,5%

Ток возбуждения                                    I_в=145А

Напряжение обмотки возбуждения                     U_в=200В

Число полюсов                                       2р=16

Число параллельных ветвей якоря                     2а=16

Сопротивление обмотки якоря                 R_я20=0,00348Ом

Сопротивление дополнительных полюсов       R_д20=0,000631Ом

Сопротивление компенсационной обмотки       R_к20=0,00235Ом

Сопротивление обмотки возбуждения              R_в20=0,87Ом

Перегрузочная способность (рабочая)                 l_р=1,6

Перегрузочная способность (выключающая)             l_в=1,8

Число витков якоря                             W_яд=1080/16

Число витков главного полюса                        W_пд=84

Число витков добавочного полюса                      W_дд=2

Число витков компенсационной обмотки на полюс        W_кд=3

          Питающая сеть

Номинальное напряжение                            U_с=6000В

Частота                                            f_с=50Гц

Мощность короткого замыкания                  S_к=15000МВ×А

     Подъемная машина

Тип                                                 ЦШ5´4

Эффективная мощность подъема                   Р_эф=4317кВт

Максимальная скорость подъема                   V_max=16м/с

Средняя скорость                                V_ср=8,4м/с

Множитель скорости                                 l=1,35

Радиус шкива трения                                 D_шт=5м

Максимальное усилие                           F_max=395743Н

2.2. Выбор тиристорного преобразователя

Наметим к применению силовую 12-пульсную схему  тиристорного электропривода с реверсом в  цепи возбуждения двигателя и последовательным  соединением  выпрямительных мостов. После выбора тиристорного преобразователя силовую схему уточним.

2.2.1. Активное сопротивление якорной цепи R_яц определяем по формуле:

R_яц=к₁к₂(R_я20+R_д20+R_к20+R_щ)=

1,15×1,1(0,00348+0,000631+0,00235+0,0005)=0,00880566 Ом,          (2.1)

где к₁=1,15 - коэффициент приведения к рабочей температуре 60°С [2];

    к₂=1,1 - коэффициент, учитывающий сопротивление соединительных

проводов [2];

    R_я20, R_д20, R_к20, R_щ - сопротивление обмотки якоря, дополнительных полюсов, компенсационной обмотки и щеточного контакта, Ом

2.2.2. Коэффициент пропорциональности между ЭДС двигателя и линейной скоростью определим по формуле:

                           (2.2)

где U_ном и I_ном - номинальные напряжение и ток двигателя;

    R_яц - сопротивление якорной цепи, Ом;

    V_max - максимальная скорость подъема, м/с.

2.2.3. Коммутационное снижение выпрямленного напряжения определяем по формуле:

U_{к ср}=0,5e_кк_vV_max=0,5×0,06×55×16=26,4 В,                              (2.3)

где е_к - напряжение короткого замыкания трансформатора, отн.ед..

2.2.4. Эффективный ток за цикл работы подъемной установки определяем по формуле:

I_эф=Р_эф/(V_max×к_v)=4317×10³/(16´55)=4906 А,     

где Р_эф - эффективная мощность подъема, Вт.

Выбор тиристорного преобразователя произведем по двум параметрам - выпрямленному току I_{d ном} и выпрямленному напряжению U_{d ном} при соблюдении условий:

 I_{d ном} ³ I_эф и U_{d ном} ³ U_ном .                                          (2.4)

Применим комплектный  тиристорный  электропривод КТЭУ-6300/ 1050-1249314-200Т-УХЛ4. Тиристорный агрегат типа ТП3-6300/1050Т-10/ОУ4 с последовательным соединением мостов [2].

2.2.5. КПД тиристорного преобразователя, рассчитываем по формуле:

,                            (2.5)

где U_do - максимальное выпрямленное напряжение (угол управления a=0), В;

    DU_{к ср} - коммутационное снижение выпрямленного напряжения, В;

    DU_т=0,96 В - среднестатистическое падение напряжения на тиристоре [2].

2.2.6. Передаточный коэффициент к_тп тиристорного преобразователя определим по формуле:

к_тп=U_{d ном}/U_{вх тп}=1050/8=131,25 В,                                   (2.6)

где U_{d ном} - номинальное выпрямленное напряжение, В;

    U_{вх тп}=8 В - входное напряжение управления.

2.3. Выбор силового трансформатора

2.3.1. Полную мощность силового трансформатора S_т определим по формуле:

              (2.7)

где к_{м ср вз}=0,575 - средневзвешенный коэффициент

мощности[2].

    Р_ном - номинальная мощность двигателя, кВт.

2.3.2. Линейное напряжение вторичной обмотки, необходимое для выбора трансформатора, определим по формуле:

U₂=(к_з/к_сх)×(V_maxк_v+U_кср+I_эфR_яц)=

=(1,1/1,35)(16×55+26,4+4906×0,00881)=773 В,                        (2.8)

где к_з=1,1 - коэффициент запаса [2];

    к_сх=1,35 - коэффициент схемы выпрямления [2];

    к_u - коэффициент пропорциональности, В/(м/с);

    U_{к ср} - коммутационное снижение напряжения, В;

    I_эф - эффективный ток, А;

    R_яц - сопротивление якорной цепи, Ом;

    V_max - максимальная скорость, м/с.

Выбор трансформатора производится по двум параметрам - полной мощности S_{т ном} и напряжению на вторичной обмотке U_2ном при соблюдении условий:

S_{т нои} ³ S_т и U_2ном ³ U₂.                                              (2.9)

Для комплектной поставки в составе преобразовательного агрегата типа ТП3-6300/1050-10/ОУ4 применим масляный двухобмоточный  с  двумя  активными частями в одном баке трансформатор типа

ТДНПД-12000/10У2 [2].

2.4. Расчет сглаживающего реактора

Сглаживающую индуктивность определяем  из  условия непрерывности выпрямленного тока. При этом  принимается, что при угле отпирания тиристоров a=80° и токе нагрузки  10% от  номинального (0,1I_{d ном}) режим прерывистого тока должен быть исключен.

2.4.1. Суммарное сопротивление цепи выпрямленного тока R_s рассчитываем по формуле:

                  (2.10)

2.4.2. Базовый ток определим по формуле:

                                      (2.11)

где U₂ – максимальное значение напряжения на вентильной обмотке силового трансформатора.

2.4.3. Номинальный ток в относительных единицах:

;                                   (2.12)

Базовый параметр нагрузки определяется по графику рис.2.1.[2] для значений 15⁰, m_б=6 и i_дв=0,076 и составляет tgQ_б=7.

2.4.4. Требуемый параметр нагрузки, обеспечивающий допустимый коэффициент пульсации тока в выпрямленной цепи:

                                   (2.13)

2.4.5. Суммарная индуктивность цепи выпрямленного тока.

                       (2.14)

где 2pf – угловая частота питающей сети;

2.4.6. Индуктивность активной части трансформатора.

                       (2.15)

где е_к - напряжение короткого замыкания, отн.ед.;

    U_{2 ном} - фазное напряжение вентильной обмотки, В;

    I_{2 ном} - ток вентильной обмотки, А;

    f - частота питающей сети,Гц.

2.4.7. Индуктивность якоря двигателя L_д определяем по формуле Лиумвиля-Уманского:

                    (2.16)

где с₁=0,1 - коэффициент для компенсированных электродвигателей;

    2р=16 - число пар полюсов;

    n_ном - номинальная частота вращения двигателя, об/мин;

    U_ном - номинальное напряжение двигателя, В;

    I_ном - номинальный ток двигателя, А.

2.4.8. Индуктивность сглаживающего реактора определяем по формуле [4]:

          (2.17)

где U_ном - номинальное напряжение двигателя, В;

    I_ном - номинальный ток двигателя, А.

Применим реактор типа СРОС3-3200МУХЛ4 на номинальный ток

3200А и с индуктивностью 0,5 мГн [2].

2.5. Расчет автоматического выключателя в якорной цепи

2.5.1. Коэффициент пропорциональности между движущим усилием и током якоря двигателя к_f определим по формуле:

                                      (2.18)

где М_ном – номинальный момент двигателя, Н×м;

R_шт – радиус шкива трения, м;

I_ном – номинальный ток двигателя, А.

2.5.2. Максимальный ток двигателя I_max рассчитаем по формуле:

                                          (2.19)

2.5.3. Ток уставки I_уст срабатывания реле максимальной защиты определим по формуле:

I_уст=к_нI_max=1,1×7329=8062 А,                                       (2.20)

где к_н=1,1 - коэффициент надежности [2].

Применим автоматический выключатель ВАТ-42-1000/10-Л-У4 с реле защиты РДШ-6000 и диапазоном тока уставки

6000¸12000 А [1].

2.6.Выбор тиристорного возбудителя

2.6.1. Индуктивность обмотки возбуждения двигателя определим по формуле:  

                                  (2.21)

где L - индуктивность, обусловленная полезным потоком, Гн;

    L_р - индуктивность от полей рассеивания, Гн;

    2р - число пар полюсов;

    W_в=84 - число витков на полюс;

    s_ном=1,1 - коэффициент рассеивания при номинальном потоке [2];

    DФ - изменение потока, вызванное соответствующим изменением ампер-витков (DI_вW_в), Вб (рис.2.2.).

2.6.2. Постоянную времени цепи возбуждения Т_в определим по формуле:

                                         (2.22)

где L_ов - индуктивность обмотки возбуждения, Гн;

    R_ов - сопротивление обмотки возбуждения, Ом.

2.6.3. Время рывка t_р при высоте подъема Н=1079 м согласно графику [2]:

t_р=2с.                                                           (2.23)

2.6.4. Требуемое значение коэффициента форсировки к_ф определим по формуле: 

                                           (2.24)

                                             (2.25)   

где Т_в - постоянная времени возбуждения, с.

2.6.5. Максимальное значение выпрямленного напряжения U_max определим по формуле:

U_{d max}=К_фU_{в ном}=3,06×145=443,7 В,                                    (2.26)

где U_{в ном} - номинальное напряжение возбуждения при параллельном соединении полуобмоток возбуждения, В.

Применим тиристорный возбудитель  ТПР9-320/460Р-31У4 с номинальным током 320 А и номинальным напряжением 460 В [2].

2.6.6. Передаточный коэффициент к_тв тиристорного возбудителя определим по формуле:

К_тв=U_{d ном}/U_{вх тв}=460/8=57,5,                                       (2.27)

где U_{d ном} - номинальное выпрямленное напряжение, В;

    U_{вх тв}=8 В - выходное напряжение управления.

2.7. Выбор тахогенератора в цепи ОС по скорости

Применяем тахогенератор типа ПТ-42 с номинальной частотой вращения n_{тг ном}=100 об/мин и номинальным напряжением U_{тг ном}=230В [2].

2.7.1. Максимальное напряжение на выходе тахогенератора U_{тг max} определим по формуле:

U_тг=U_{тг ном}(n_{дв ном}/n_{тг ном})=230(63/100)=145,                          (2.28)

где U_{тг ном} - номинальное напряжение тахогенератора, В;

    n_{дв ном} - номинальная частота вращения двигателя, об/мин;

    n_{тг ном} - номинальная частота вращения тахогенератора, об/мин.

2.7.2. Передаточный коэффициент к_тг рассчитаем по формуле:

к_тг=U_{тг max}/n_{дв ном}=145/63=2,3 В/(об/мин).                           (2.29)

На основе технических решений принятых на первом [1] и втором [2] этапах проектирования, выбирают регуляторы тока, скорости и другие технические средства, составляющие систему автоматического управления электроприводом.

                                             Таблица 3.1. 

3.1. Расчет системы подчиненного регулирования координат

электропривода

Рассчитаем параметры САУ на основе элементов УБСР-АИ, входящих в состав комплектного электропривода КТЭУ.

Система построена  по принципу подчиненного регулирования с зависимым регулированием  тока  возбуждения от тока якорной цепи при значениях тока якорной цепи менее 0,5I_{дв ном} .

Расчет  конкретных  параметров  САУ  произведем, используя структурную схему, построенную по математическому описанию электромеханических процессов в абсолютных единицах.[3]

При расчете принимаем следующие допущения:

- механическая система представляется в виде одномассовой системы;

- демпфирующее действие вихревых токов в шихтованной станине электродвигателя не учитывается.

3.2.Расчет контура регулирования тока возбуждения

Структурная и функциональная схемы контура регулирования тока возбуждения представлены на рис.3.1.

3.2.l. Постоянная времени фильтра Т_фв рассчитывается по формуле:

                                   (3.1)

где к=5¸6 - коэффициент, учитывающий уменьшение уровня пульсаций [3];

    m=6 - пульсация сигнала за период для мостовой схемы;

    f=50 Гц - частота питающей сети.

3.2.2. Постоянная времени контура тока возбуждения Т¢_{m в}:

Т¢_mв=Т_mв+Т_фв=0,02+0,0025=0,0225 с,                                  (3.2)

где Т_{m в} - постоянная времени тиристорного возбудителя, с;

    Т_фв - постоянная времени фильтра, с.

3.2.3. Параметры фильтра (R_ф ,С_ф ):

С_ф=Т_фв/R_ф=0,0025/100=25×10^-6 Ф,                                     (3.3)

где R_ф=10¸100 Ом - сопротивление фильтра;

    С_ф - емкость фильтра.

3.2.4. Передаточный коэффициент цепи обратной связи К_в:

                                        (3.4)

где R_зтв и R_тв - входные сопротивления регулятора (R_зтв=R_тв);

U_дтв=10В - напряжение выхода датчика тока при номинальном токе I_{в ном} .

3.2.5. Статическую ошибку DI_в для пропорционального регулятора определим по формуле:

      (3.5)

где I_{в ном} - номинальный ток возбуждения, А;

Т_в - постоянная времени обмотки возбуждения, с;

    а_тв=2 - коэффициент настройки контура, принимаемый по условию модульного оптимума [3];

 Т¢_mв - постоянная времени контура тока возбуждения, с.

Решение: Реализовать условие U_дв=U_дтв и выбрать значение входных сопротивление регулятора тока возбуждения:

R_зтв=R_тв=10 кОм

3.2.6. Требуемый коэффициент датчика тока К_дтв определим по формуле:

                                   (3.6)

где I_{ш ном} - номинальный ток шунта, А;

    I_{в ном} - номинальный ток возбуждения, А;

    К_в - передаточный коэффициент цепи обратной связи;

    К_шв=U_{ш ном} /I_{ш ном} - коэффициент шунта.

Предварительно  применим  ячейку  датчика  тока типа ДТ-3АИ(УБСР-АИ), коэффициент передачи которого регулируется в пределах 53,3¸133,3. Для уменьшения требуемого коэффициента датчика  тока применить два шунта типа 75ШСМ 200А, соединенных параллельно друг другу [3].

3.2.7. Сопротивление обратной связи регулятора тока возбуждения R_отв вычислим по формуле:

               (3.7)

где R_зтв - входное сопротивление регулятора тока возбуждения, Ом;

    Т_в - постоянная времени обмотки возбуждения, с;

    r_в - сопротивление обмотки возбуждения, Ом;

        а_тв - коэффициент настройки контура на модульный оптимум;

    Т¢_mв - постоянная времени контура тока возбуждения, с;

        К_тв - передаточный коэффициент тиристорного возбудителя;

    К_в - передаточный коэффициент обратной связи.

3.2.8. Установившиеся уровни выходного напряжения регулятора тока возбуждения для номинального и форсированного режимов U_{ртв ном} U_{ртв ф} рассчитаем по формулам:

            (3.8)

где U_{в ном} - номинальное напряжение обмотки возбуждения, В;

    К_тв - передаточный коэффициент обмотки возбуждения;

    К_ф - коэффициент форсировки.

Окончательно выберем ячейку датчика тока ДТ-3АИ (УБСР-АИ).

3.3. Расчет контура регулирования тока якорной цепи

Структурная и функциональная схемы контура регулирования тока якорной цепи представлена на рис.3.2.

3.3.1. Постоянную времени фильтра Т_фт на входе датчика тока рассчитываем по формуле:

                                   (3.9)

где к=5¸6 - коэффициент, учитывающий уменьшение уровня пульсаций [3]

m=12 - пульсация сигнала за период для двойной трехфазной мостовой схемы;                       

f=50Гц - частота питающей сети.

3.3.2. Емкость Т-образного фильтра  рассчитаем по формуле:

С_ф=Т_фт/R_ф=0,00125/100=12,5 мкФ,                                   (3.10)

где R_ф - сопротивление, принимаемое в пределах 10¸100 Ом.

3.3.3. Эквивалентную не компенсируемую постоянную времени контура тока вычислим по формуле:

Т¢_mт=Т_mт+Т_фт=0,02+0,00125=0,02125 с,                               (3.11)

где Т_mт=0,02с - постоянная времени тиристорного преобразователя.

Решение: примем согласованное управление током якоря I_я и током возбуждения I_в в  функции  напряжения на выходе регулятора скорости U_рс.

     Применим условие начала реверсирования I_в/I_я=0,5I, т.е. уровень тока якоря, с которого начинается  изменение тока возбуждения, составляет

i_{я рев}=0,5.

3.3.4. Допустимое значение скорости изменения тока якоря рассчитывается по формуле:

    (3.12)

где К_п=2 - коэффициент, учитывающий перегрузку по току якоря [3];

    Т_в - постоянная времени обмотки возбуждения двигателя, с;

К_ф - коэффициент форсировки;

    i_{я рев} - относительное значение тока якоря, при котором начинается изменение тока возбуждения (реверс).

3.3.5. Максимальное значение параметра настройки регулятора тока а_т определяется из условия:

                                    (3.13)

Решение: Параметр  настройки  регулятора тока принять по условию модульного оптимума, т.е. а_т=2.

3.3.6. Передаточный коэффициент обратной связи контура  тока определяются по формуле:

                                    (3.14)

где R_зт и R_т - входные сопротивления регулятора тока, отношение которых принимается равным единице;

    U_{дт max} - не должно превышать 15 В (напряжение питания УБСР-АИ)

3.3.7. Коэффициент шунта определяется по паспортным данным:

К_ш=U_{ш ном} /I_{ш ном}=0,075/10000=75×10^-6 В/А,                            (3.15)

где U_{ш ном}=75 мВ для шунта 75 ШСМ [3];

    I_{ш ном} - номинальный ток шунта.

3.3.8. Коэффициент датчика тока определяется по формуле:

                                    (3.16)

3.3.9. Параметры регулятора тока вычисляем по формуле:

        (3.17)

R_от=Т_я/С_от=0,08×10^-3/(2×10^-6×0,01438)=2,78 кОм,

где Т_ит - постоянная времени интегральной части ПИ-регулятора, с;

С_от=2¸3мкФ - емкость обратной связи регулятора токам [3];

Т_я=L_я/R_я - постоянная времени якорной цепи, с;

К_тп, R_я, L_z - заданные величины.

3.3.10. Постоянная времени интегратора:

                                              (3.18)     

где i_{я max}=I_{я max} /I_{я ном}=7610/5740=1,33.

3.3.11. Коэффициент усиления нелинейного элемента в линейной зоне:

                                         (3.19)

3.3.12. Сопротивление обратной связи R3 при R1=10 кОм:

R3=R1×К_нэ=10К_нэ=10×35,3=353 Ом.                                    (3.20)

3.3.13. Входное сопротивление R4 для усилителя У2 при С1=3 мкФ:

R4=Т_ип/С1=3/(3×10^-6)=100 кОм.                                     (3.21)

3.3.14. Напряжение ограничения усилителя У1:

                                     (3.22)      

3.3.15. Входное сопротивление R2 для усилителя У1:

R2=R1=10 кОм.                                                   (3.23)

3.4. Расчет контура регулирования скорости

3.4.1. Максимальное значение приращения движущего усилия DF_{ст max} определяют из условия:

DF_{ст max} £ 0,1F₁=0,1×339400=33,94 кН,                               (3.24)

где F₁ - движущее усилие, равное статическому в начальный момент времени, Н.

Решение: Примем максимальное  значение  движущего усилия, при котором в замкнутой системе регулирования  скорость  не должна изменится более, чем на 1%:

DV_max=0,01×16=0,16 м/с.                                           (3.25)

3.4.2. Абсолютное значение статической ошибки в замкнутой системе управления DV_а определим по формуле:

                   (3.26)

где а_с=2 - параметр настройки регулятора скорости [3];

    Т_mс=а²_т(Т_m+Т_фт)+Т_фс=4(0,02+0,0125)+0,02=0,15 с - эквивалентная не компенсируемая постоянная времени контура скорости, с;

а_т=2 - параметр настройки регулятора тока [3];

    Т_m=0,02с - постоянная времени тиристорного преобразователя [3];

    Т_фт - постоянная времени фильтра на входе датчика тока, с;

 - постоянная времени фильтра на входе датчика скорости, с;

К=3 - кратность уменьшения пульсации напряжения тахогенератора [3];

     - частота  полюсных пульсаций тахогенератора, Гц; 

К_К, К_V - заданные величины;

    Т_м - электромеханическая постоянная времени электропривода, с;          m, R_S - ранее рассчитанные величины.

3.4.3. Относительное значение статической ошибки при установившемся режиме в замкнутой системе определим по формуле:

DV%=(DV_a/V_max)100%=(0,054/16)100=0,34 < 1%.                       (3.27)

3.4.4. Время регулирования определили по формуле:

                                          (3.28)        

где d=0,03 - допустимая динамическая ошибка по скорости [3];

    V_max - максимальная скорость движения подъемных сосудов, м/с;

    а_max - максимальное ускорение в период разгона и замедления, м/с².

3.4.4. Масштаб времени Z определили по формуле:

Z=t_рег/t_нор=3/6=0,5 с,                                            (3.29)

где t_нор=6 с - нормированное время переходного процесса [3].

Принимаем график переходного процесса для параметров Z=0,5,  Q_т=0,15 [5].

3.4.5. Параметры настройки  двухкратноинтегрирующего  контура скорости определяем из условия равенства выражений:

в_са_с²а_т²Q_m²=2,5Z²; в_са_са_тQ_m=2,5Z.                                   (3.30)

Отсюда  в_с=2,5;   а_с=Z/(а_тQ_m)=0,5/(2´0,15)=1,7.                   (3.31)   

Решение: Приняли структурную и функциональную  схемы контура регулирования скорости (рис.3.3)

3.4.6. Коэффициент обратной связи по скорости рассчитали  по формуле:

                                               (3.32)   

где R_зс=R_с;

    U_дс - напряжение, В, снимаемое с датчика скорости при скорости подъема V_max , м/с.

Используем  ячейку датчика напряжения  ДН-2АИ (УБСР-АИ), и присоединим его вход к выходу тахогенератора с помощью делителя напряжения R_д¢ и R_д². Принять |U_дс|=|V_max| [3].

3.4.7. Напряжение, снимаемое с тахогенератора, определили     по формуле:

                                    (3.33)

где U_{тг ном} - номинальное напряжение тахогенератора, В;

    n_{тг ном} - номинальная частота вращения тахогенератора, об/мин;

    n_{дв ном} - номинальная частота вращения двигателя, об/мин.

3.4.8. Полное сопротивление делителя напряжения определим   по формуле:

R_д=U_тг/I_{тг ном}=149,5/0,1=1,5 кОм,                                  (3.34)

где I_{тг ном} - номинальный ток тахогенератора, А.

3.4.9. Мощность резисторов:

P_д=U_тгI_{тг ном}=149,5´0,1=14,95 Вт.                                  (3.35)

                                         (3.36)

Условие согласования: R_д¢£=2400/10=240 Ом,                   (3.37)

где R_{вх д}=2,4кОм - входное сопротивление датчика ДН-2АИ(УБСР-АИ)

Передаточная функция ПИ-регулятора скорости имеет вид:

      (3.38)

3.4.10. Параметры ПИ-регулятора скорости:

                               (3.39)           

Условие жесткости подъемных канатов:

так как К_пс³10 необходимо принять демпфирующий коэффициент

                                (3.40)

где К_пс=10 [3].

3.4.11. Постоянная времени интегральной части ПИ-регулятора скорости:

                   (3.41)

Применим ячейку регулятора скорости РС-1АИ (УБСР-АИ).

3.4.12. Входные сопротивления регулятора скорости (С_ос=2мкФ):

R_зс=R_с=Т_ис/С_ос=0,03/(2×10^-6)=15 кОм.                                (3.42)

3.4.13. Сопротивление обратной связи регулятора скорости:

R_ос=R_зсК_пс=15000×21,4=321 кОм.                                     (3.43)

3.4.14. Параметры фильтра на входе регулятора скорости:

Т_ф¢=в_са_сТ_mс=2,5×1,7×0,15=0,64 с;                                    (3.44)

С_фс=Т_ф¢/(0,5R_зс)=0,64/(0,5×15000)=0,85 мкФ.                        (3.45)

1. Родченко А.Я., Евсеев Ю.В. Автоматизированный электропривод многоканатной подъемной установки. Ч.1. Механическая часть электропривода: Учеб.пособие /Норильский индустр. ин-т.– Норильск, 1996.-44с.

2. Писарев А.И., Родченко А.Я. Автоматизированный электропривод многоканатной подъемной установки. Ч.2. Система «управляемый выпрямитель – двигатель» с реверсом возбуждения двигателя. Силовые элементы электропривода: Учеб.пособие /Норильский индустр. ин-т.– Норильск, 1996.-48с.

3. Писарев А.И., Родченко А.Я. Автоматизированный электропривод многоканатной подъемной установки. Ч.3. Система «управляемый выпрямитель – двигатель» с реверсом возбуждения двигателя. Автоматическое управление электроприводом: Учеб.пособие /Норильский индустр. ин-т.– Норильск, 1996.-26с.

4. Комплектные  тиристорные электроприводы:Справочник / И.Х.Евзеров, А.С.Горобец, Б.И.Мошкович и др.; Под ред. канд. техн.наук В.М.Перельмутера.- М.:Энергоатомиздат, 1988.-319с.:ил.

5. Католиков В.Е.,  Динкель А.Д.,  Седунин А.М.  Тиристорный электропривод с реверсом возбуждения двигателя рудничного  подъема.- М.:Недра, 1990.-382с.:ил.

6. Тиристорный электропривод рудничного подъема /  А.Д.Динкель, В.Е.Католиков, В.И.Петренко, Л.М.Ковалев.-М.:Недра, 1977.-312с.:ил.

7. Александров К.К.,  Кузьмина Е.Г., Электротехнические чертежи и схемы.- М.:Энергоатомиздат, 1990.- 288с.:ил.

8. Католиков В.Е.,  Динкель А.Д., Седунин А.М. Автоматизированный электропривод подъемных установок глубоких шахт.- М.:Недра, 1983.-270с.:ил.

9. Малиновский А.К.,  Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников: Учебник для вузов.- М.:Недра,1987.- 277с.:ил.

10. Хаджиков Р.Н., Бутаков С.А., Горная механика:Учебник для техникумов.- 6-е изд., перераб. и доп.- М.:Недра, 1982.-407с.