125322 (Проектирование электропривода подъема мостового крана), страница 2

Все эти способы так же отличаются друг от друга сложностью, потерями, стоимостью и требуют выбора оптимального способа регулирования для каждого конкретного случая.

Ниже приведены возможные решения с учетом предъявляемых к приводу требований.

двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, регулирование напряжения с помощью управляемого выпрямителя;

двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением, шунтирование якоря;

двигатели общепромышленного исполнения с короткозамкнутым ротором, частотное управление;

двигатели общепромышленного исполнения с фазным ротором, сопротивления в цепь ротора;

3.3 Оценка и сравнение выбранных вариантов

Оценка и сравнение данных вариантов осуществляется с помощью метода экспертных оценок. Выбираем несколько критериев сравнения. В нашем случае это: массогабаритные показатели, потери, стоимость, надежность и плавность регулирования. Каждому из этих критериев присваиваем определенный максимальный бал и затем производим оценку вариантов по этим критериям, выставляя им соответствующие балы. После этой процедуры производится подсчет баллов, набранных каждым из вариантов, и выбирается тот вариант, который имеет наибольший суммарный балл. Диаграмма сравнения приведена на рисунке 3.2.

В результате получили следующее распределение баллов:

S1=4*5+3*5+4*3+4*4+2*4+5*4 = 91;

S2=2*5+3*5+3*3+1*4+4*4+3*4 = 66;

S3=5*5+4*5+4*3+4*4+1*4+5*4 = 97;

S4=5*5+4*5+4*3+4*4+1*4+4*4 = 74;

Из данных соотношений видно, что максимальный суммарный балл имеет двигатели общепромышленного исполнения с короткозамкнутым ротором и частотным управлением.

Рисунок 3.2 - Оценочная диаграмма суммарных результатов

4 Расчет силового электропривода

4.1 Выбор двигателя

Для предварительного выбора двигателя воспользуемся методом эквивалентного момента, который позволяет оценить двигатель по нагреву и по перегрузочной способности.

Полный цикл работы привода составляет 302,418 с, что меньше, чем 10 минут. Значит привод работает в расчетном режиме S3. Тогда величину эквивалентного момента находим по формуле:

;(4.1)

где Мi – величина статического момента на i-ом участке нагрузочной диаграммы, Нм;

ti – время работы с моментом Мi, с;

tц – время цикла,

tп – время пауз.

За номинальную расчетную скорость двигателя принимаем н. расч=1000 об / мин = 104.7 рад / с. в установившемся режиме двигатель работает с меньшей скоростью.

Подставляя величины времени и моменты в формулу (4.1), находим величину эквивалентного момента:

(4.2)

Величина расчетной мощности равна:

Вт (4.3)

По данным величинам скорости и мощности выбираем электродвигатель с короткозамкнутым ротором серии 4АР225М6У3 номинального режима S3 со следующими паспортными данными:

номинальная мощность РН = 37 кВт;

синхронная частота вращения 0 = 104.7 рад / с;

номинальный коэффициент мощности cos Н = 0.84;

номинальное скольжение SH=2%;

номинальный ток статора I1Н = 73.8 А;

номинальный коэффициент полезного действия Н = 90.5%;

кратность максимального момента Нм;

кратность пускового момента Нм;

кратность пускового тока IП / IН = 7 А;

момент инерции JДВ = 1.15 кг м2.

ПВ%=40%

Сопротивления:

r1=0,137 Ом

r/2=0,07 Ом

X1=0,315 Ом

X/2=0,47 Ом

Необходимое условие Р2Н Р2РАСЧ выполняется. Найдем номинальный момент двигателя:

рад/с(4.4)

Н м (4.5)

Условие МН МЭКВ выполняется, значит двигатель проходит по нагреву.

4.3 Расчет параметров и выбор преобразователя

Условия выбора преобразователя частоты:

UВЫХ=380 В.

РВЫХ>=37 кВт.

Выбираем преобразователь частоты Hitachi SJ300-370HFE со следующими паспортными данными:

номинальная мощность 37 кВт

номинальный ток 75 А

диапазон частот 0.1 – 400 Гц ±0.01%

точность поддержания скорости ±0.5%

Преобразователь обеспечивает защиту двигателя с помощью электронного термореле.

Преобразователь обеспечивает торможение. Время разгона и торможения двигателя задается независимо друг от друга в интервале от 0.01 до 3600 секунд. Могут быть заданы два значения времени разгона и два значения времени торможения.

Также в преобразователе имеется встроенный регулятор тока и есть возможность организовать пропорциональный (П), пропорционально-интегральный (ПИ) или пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор скорости.

Для преобразователя не нужен трансформатор.

5 Расчет статических механических и электромеханических характеристик двигателя и привода

5.1 Расчет статических механической и электромеханической характеристик двигателя

Для асинхронного двигателя расчет статических механических характеристик ведется по формуле Клосса.

Величина критического скольжения находится по формуле:

(5.1)

Формула для расчета механической характеристики имеет вид:

(5.2)

где

(5.3)

(5.4)

Подставляя в формулу Клосса различные значения скольжения (угловой скорости), получаем ряд точек, по которым строим естественную механическую характеристику двигателя. Расчет механической характеристики двигателя проводим с помощью пакета Mathcad 2003

Рисунок 5.1 – График естественной механической характеристики.

Расчет электромеханической характеристики - зависимости тока статора I1 от скольжения S производится с использованием следующей формулы:

(5.5)

(5.6)

где

(5.8)

(5.9)

(5.10)

Подставляя в эту формулу известные значения номинального тока статора, кратности максимального момента, критического скольжения и q, а так же различные значения скольжения (скорости), получаем различные значения тока ротора, по которым затем строится график электромеханической характеристики. Расчет электромеханической характеристики двигателя производим с помощью пакета Mathcad 2003.

Рисунок 5.2. – Электромеханическая характеристика двигателя

5.2 Расчет статических механических характеристик привода

Так как для регулирования скорости применяется ПИ – регулятор (будет показано ниже), который дает нулевую статическую ошибку, поэтому механическая характеристика привода будет абсолютно жесткой.

Рисунок 5.3. – Механические характеристики привода.

6 Расчет переходных процессов в электроприводе за цикл работы

Моделирование работы электропривода будем проводить в среде Mathlab 6.5.

Так как частота коммутации вентелей в преобразователе частоты очень велика (порядка 15000 гц), то его постоянная времени очень мала и можно ей пренебречь. Преобразователь частоты при моделировании представим линейным звеном с коэффициентом передачи КПЧ.

Рисунок 6.1 – Структурная схема преобразователя частоты.

Мы имеем двухмассовую расчетную схему механической части. Выражения для двухмассовой расчетной схемы:

(6.1)

Значение МС зависит от вида нагрузки. Так как нагрузка активная(потенциальная), то МС=Const.

Структурная схема двухмассовой расчетной схемы механической части представлена на рисунке 6.2:

Рисунок 6.2 – Структурная схема механической части.

Для моделирования асинхронного двигателя используем линеаризованную модель:

(6.2)

или в операторной форме:

(6.3)

где - жесткость характеристики, определяется по формуле:

;(6.4)

- электромагнитная постоянная времени двигателя, определяется по формуле:

(6.5)

Схема линеаризованной модели асинхронного двигателя представлена на рисунке 6.3.

Рисунок 6.3 – Линеаризованная модель асинхронного двигателя.

Максимальное значение момента двигателя:

(6.6)

Коэффициент передачи преобразователя по частоте определяется отношением максимального сигнала на выходе преобразователя к максимальному сигналу на выходе регулятора момента:

(6.7)

Максимальное значение момента ограничения равно критическому моменту естественной характеристики двигателя:

(6.8)

Из уравнения (6.3) находим Крм:

(6.9)

Регулятор момента представляется в виде П–регулятора.

Предельное значение коэффициента усиления обратной связи, обеспечивающее регулирования момента с нулевой ошибкой:

(6.10)

Для расчета контура скорости представим контур момента в виде звена:

(6.11)

Обозначив

,

получим передаточную функцию оптимизированного контура регулирования момента:

(6.12)

где

Коэффициент передачи датчика отрицательной обратной связи по скорости рассчитывается как отношение напряжение задания на соответствующее значение максимальной скорости:

(6.13)

Малой некомпенсируемой постоянной времени контура регулирования скорости является электромагнитная постоянная двигателя, т.е. принимаем .

Большой компенсируемой постоянной времени контура регулирования скорости является механическая постоянная двигателя.

Для получения нулевой ошибки в статике и форсировки переходных процессов в динамике регулятор скорости должен быть представлен в виде ПИ – регулятора.

Настроим регулятор скорости на симметричный оптимум.

Желаемая передаточная функция контура скорости настроенного на симметричный оптимум:

(6.14)

Передаточная функция объекта регулирования:

(6.15)

Разделив желаемую передаточную функцию контура скорости, на передаточную функцию объекта регулирования, получим передаточную функцию регулятора скорости:

(6.16)

где