Автоматизированный электропривод механизма хода ЭКГ - 4,6 Б

Технические условия

1.       Сеть переменного тока, напряжением 6000 В.

2.       Для привода механизма хода применяются двигатели постоянного тока независимого возбуждения, управляемые по системе ТП-Д.

.         Система управления должна обеспечить экскаваторную характеристику привода механизма хода.

.         Внутреннее сопротивление механизма гусеничного хода принять равным 5-10% от веса экскаватора.

.         Момент инерции вращающихся частей привода принять равным 20% от момента инерции приводного двигателя.

Содержание

Введение

1.  Расчет мощности и выбор типа двигателя

2.       Расчет и построения тахограммы и нагрузочной диаграммы

.         Проверка двигателя на нагрев и перегрузочную способность

.         Расчет и выбор электрооборудования

4.1     Расчет и выбор тиристорного преобразователя

4.2     Расчет и выбор силового трансформатора

.3       Расчет и выбор сглаживающего дросселя

5.  Обоснование и выбор системы автоматического регулирования

6.       Расчет контура регулирования ЭДС

.         Расчет и построение статических электромеханических характеристик

.         Переходные процессы при пуске двигателя

.         Расход энергии и КПД

Заключение

Литература

Введение

Для механизации земляных и открытых горных работ, как известно, наиболее трудоемких отечественная промышленность выпускает большое количество высокопроизводительных землеройных машин, главным образом экскаваторов. Количество экскаваторов непрерывно увеличивается.

На современных одноковшовых экскаваторах применяются прогрессивные виды приводов и систем управления.

Одноковшовые экскаваторы с ковшом вместимостью от 2,5 мі и выше имеют автоматизированный привод исполнительных основных механизмов, выполненных по системе генератор-двигатель.

Наибольшее применение в настоящее время нашли экскаваторы с автоматизированным приводом по системе управляемый тиристорный преобразователь-двигатель (ТП-Д).

Карьерные экскаваторы-лопаты в отличие от роторных могут применяться в самых тяжелых горно-геологических и климатических условиях.

1. Расчет мощности и выбор типа двигателя

При определении мощности и выборе двигателя гусеничных ходовых механизмов следует рассматривать два режима работы:

длительный (при движении по горизонтальной поверхности) и кратковременный (с максимальной нагрузкой при движении на подъем или разворот с проседанием ходовой части механизма в ГП).

Максимальное тяговое усилие при установившемся прямолинейном движении машины. /6/

F_т.г=W_вн+W_к+W_н (2.1)

Где W_вн - сопротивление внутреннее во всех гусеницах,_к- сопротивление катанию,_н- сопротивление инерции при трогании с места,

Сопротивление развороту имеет значительную величину, но всегда меньше суммы сопротивлений указанных в формуле (1)

Учитывая, что разворот экскаватора при движении на подъем осуществляется задним ходом, т.е. под уклон, сопротивление развороту не вводится в сумму основных сопротивлении.

Определяем вес экскаватора.

(2.2)

где g- 9,81 м/с²

Тяговое усилие и мощность двигателя механизма гусеничного хода при движении экскаватора по горизонтальной поверхности

 (2.3)

где W_вн=(0,0480,091)*G_экк=(0,0820,175)*G_экп=(0,0120,02)*G_эк

 Н.

Рис. 1.1 Кинематическая схема механизма хода экскаватора ЭКГ- 4,6Б

Мощность двигателя механизма гусеничного хода:

 (2.4)

где V_гх - скорость передвижения по горизонтальной поверхности V_гх=0,125м/с

- КПД механизма

 кВт (2.5)

Максимальное тяговое усилие и мощность при движении на подъем

(кН)

 (2.6)

где W_п=G_эк*sin

- угол подъема экскаватора

 (2.7)

где V_гп - скорость экскаватора при движении на подъем, принимаем на 12% меньше V_гх=0,125м/с V_гх=0,11м/с

Принимаем кинематическую схему механизма гусеничного хода для карьерного экскаватора с ковшом 4,6 м³ . По данной схеме рис 1.1 экскаватор имеет две гусеницы с индивидуальным приводом на каждую гусеницу.

Частота вращения ведущего колеса гусеницы и частота вращения двигателя

 (2.8)

где Д_вк диаметр ведущего колеса

(2.9)

(2.10)

выбираем ближайший по характеристикам двигатель в закрытом исполнении типа ДПЭ-52V1(Т1) с основными параметрами Р_н=54 кВт n_н=1200 об/мин.

Рис. 1.2 Расчетные схемы механизма хода

Коэффициент механической перегрузки каждого из двух выбранных двигателей при их работе в наиболее тяжелом режиме

(2.11)

При этом допустимое время перегрузки

 (2.12)

Т_н - постоянная времени нагрева, Т_н=32=180мин

Следовательно, выбранный двигатель будет обеспечивать требуемую максимальную мощность при времени движения экскаватора на подъем не более 148 мин.

Таблица 1.1. Технические и обмоточные данные двигателя ДПЭ-52

2. Расчет и построение тахограммы и нагрузочной диаграммы

Момент статический, Нм.

 (2.1)

где F_тг - тяговое усилие по горизонтальной плоскости;

_тг=33,6*10⁴ Н.

_э- скорость экскаватора; V_э=0,125 м/с.

ω_дв - номинальная скорость двигателя; ω_дв=125^-1 с.

Нм.

Момент статический приведенный к валу двигателя.

 (2.2)

где i_рез - передаточное число редуктора; i_рез=441,96

- КПД механизма; =0,6.

Момент инерции, приведенный к валу двигателя, Нм.

J_пр=(2.3)

где m_эк - масса экскаватора, т; m_эк=196 т.

,8- коэффициент, учитывающий момент инерции вращающихся частей, составляющий 90% от J_дв; J_дв=2.

Для построения нагрузочной диаграммы и тахограммы определяем тормозные и пусковые моменты, а также время разгона и торможения.

Номинальный момент, Нм.

 (2.4)

где Р_н - номинальная мощность двигателя; Р_н=54 кВт.

ω_дв - угловая скорость вращения двигателя.

Принимаем тормозной момент равный пусковому.

 (2.5)

определяем время разгона и торможения

 (2.6)

Рис. 2.1. Нагрузочные и скоростные диаграммы двигателя механизма хода

3. Проверка двигателя на нагрев и перегрузочную способность

Условия на проверку.

Момент эквивалентный определяется.

; (3.1)

где М₁=М_п=0,86*10³ Нм - пусковой момент

М₂=М_н=0,43*10³ Нм - номинальный момент

М₃=М_Т=0,86*10³ Нм - тормозной момент.₁=t₃=t_p=1.2 c- время пуска и торможения₂=t_у=600с- время цикла.

Двигатель проходит по нагреву М_э<М_н; 0,427<0,43.

Проверка двигателя по перегрузочной способности.

λ<[λ]

λ=- перегрузочная способность двигателя.

[λ]=2,5- каталожное значение перегрузки; 2<2,5- условие выполняется, двигатель по перегрузочной способности проходит.

4. Расчет и выбор электрооборудования

.1 Выбор тиристорного преобразователя

Для питания основных механизмов карьерных экскаваторов применяются комплексные тиристорные преобразователи КТП-Э. Преобразователи устанавливаются взамен электромашинных преобразовательных агрегатов.

КТПЭ функционально состоят из трех реверсивных преобразователей приводов подъема, напора и поворота (хода), стабилизированного источника питания цепей управления и возбуждения и трансформатора ТСПЗЭ-630/6.

При выборе преобразователя необходимо пользоваться условиями выбора:

С учетом различной перегрузочной способности двигателя и ТП номинальный ток преобразователя.

 (4.1.1)

преобразователь КТПЭ удовлетворяет этим условиям.

Таблица 4.1.1. Технические данные преобразователя КТП-Э

В комплектность поставки входят:

Трансформатор ТСПЗЭ-630/6

Коммутирующая и защитная аппаратура в цепях постоянного и переменного тока

Система автоматического управления, регулирования, защиты и сигнализационные встроенные устройства.

Силовая часть преобразователя выполнена по 3-х фазной мостовой двухкомплектной схеме.

Управление вентильными комплектами раздельное с запиранием неработающего комплекта.

Основой силовой секции является блок тиристор, в состав которого входят тиристоры Т630, быстродействующий предохранитель ПП-57, реактор, входные цепи защиты тиристора от коммутационного перенапряжения.

Секция включает в себя 12 блок - тиристоров.

Защита от к. з. и прорыва инвертора осуществляется автоматическими выключателями серии А 3700 со стороны переменного и постоянного токов.

.2 Расчет и выбор силового трансформатора

Для согласования напряжения двигателя и сети выбирается трансформатор.

Требуемое фазное напряжение трансформатора.

 (4.2.1.)

где U_d0 - напряжение холостого хода при α=0⁰

К_в - коэффициент схемы выпрямления 2,34.

 (4.2.2.)

где а_в- расчетный коэффициент для трехфазной мостовой схемы 2.

в-""- 0,0025

с_Т-""- 0,0052""-0,0043

α_min- минимальное значение угла регулирования=30⁰

е_к%- ЭДС к. з трансформатора (5-10)%

к_с - коэффициент, учитывающий индуктивность сети ~ тока (1,31-1,2)

- потери в меди (1-3)%

- допустимые колебания напряжения сети 5%

 падение напряжения в тиристоре_я- активное сопротивление двигателя 6,69*10^-2 Ом.

_2ф=

Расчетная мощность трансформатора.

 (4.2.3.)

где к_п - коэффициент, зависящий от схемы к_п=1,045

S=1,045*535*400=224 кВА

Выбираем трансформатор ТСПЗЭ-630/6

Таблица 4.2.1. Технические данные трансформатора ТСПЗЭ - 630/6

.3 Расчет индуктивности и выбор сглаживающего дросселя

Сглаживающий дроссель включается последовательно с якорем и выполняет две функции.

1. Сглаживание пульсаций выпрямленного тока до уровня обеспечивающего удовлетворительную коммутацию двигателя.

2. Обеспечивает непрерывность выпрямленного тока при малой нагрузке на валу.

Критическая индуктивность силовой цепи ТП-Д, обеспечивающая уменьшение пульсаций выпрямленного тока.

 (4.3.1.)

где U_гр - действующее значение основной гармоники переменной составляющей в выпрямленном напряжении.

_гр=U^*_гр*U_d0 (4.3.2.)

Где U^*_гр=0,26_гр=0,26*600=156 В.

ω_с=2π*50=0,2850=314с^-1_а=(10,02ч0,05)*I_н=22,5 А

n- число пульсаций, n=6.

 (4.3.4)

где I_min- минимальное значение тока нагрузки

α- угол, обеспечивающий работу привода с минимальной нагрузкой

 (4.3.5)

где с - постоянная двигателя с=3,03

где R_я=0,033 Ом - сопротивление обмотки якоря, R_дп=0,021 Ом - сопротивление обмотки дополнительных полюсов, ав=2

ΔU_в=1В - падение напряжения на вентиле, U_d0=600В, ω_н=125с^-1_э- эквивалентное сопротивление

 (4.3.6)

где r_я- сопротивление якорной цепи_сп- сопротивление проводов_сд-0_Т- активное сопротивление трансформатора_Т- индуктивное сопротивление трансформаторачисло фаз.

R_сп=0,1r_л (4.3.7)_сп=0,1*6,69*10^-2=6,69*10^-3 Ом

 (4.3.8)

где ΔР_кз - мощность к. з ΔР_кз=7600Вт

т- число фаз

К_тр - коэффициент трансформации_1н- тое первичной обмотки трансформатора

 (4.3.10)

 (4.3.11)

где К_с=1,15

 (4.3.12)

где U_н- номинальное напряжение двигателя_н=395 В._я.дв- ток якоря, I_{я, дв}=150 А_я- сопротивление якоря, R_я=3,3*10^-2Ом

ω_н - номинальная скорость двигателя, ω_н=125с^-1

L_кр2>L_кр1

Индуктивность якоря двигателя, мГн.

 (4.3.13)

где β=0,25- имперический коэффициент=0,6 для некомпенсированных машин_н- номинальное напряжение двигателя._н- номинальный ток двигателя

- номинальная скорость двигателя

р=2

Индуктивность трансформатора, Гн.

 (4.3.14)

где x_Т - индуктивное сопротивление трансформатора переменного тока

 (4.3.15)

Индуктивность сглаживающего дросселя, Гн

 (4.3.16)

Гн

По полученным данным выбираем сглаживающий дроссель типа ФРОС-500/0,5УЗ

Номинальный постоянный ток 500А

Номинальная индуктивность 3,25 мГн.

5. Обоснование и выбор системы автоматического регулирования электропривода механизма хода экскаватора ЭКГ - 4,6

1. Существующий коэффициент электромеханической связи.

2. Разно переменные нагрузки на валу возможность частых механических перегрузок.

3. Относительно невысокие требования в отношении регулирования скорости.

Расчет параметров системы электропривода механизма хода.

Определим электромагнитную постоянную времени якоря.

где L_э - эквивалентная ин-сть якорной цепи, Гн_э - экв. сопротивление якорной цепи, Ом

где L_т - индуктивность трансформатора = 0,208*10^-3_д - индуктивность экв. дв. =3,22*10^-3,Гн._др - индуктивность сглаживающего дросселя ( в системе на используется)

сопротивление вычислим по формуле.

где R_н - сопротивление ном. тиристорного преобразователя, Ом_т - активное сопротивление трансформатора_д - сопротивление эквивалентного двигателя

где R_к - коммутационное сопротивление тиристорного преобразователя, Ом.- число пульсаций выпрямленного напряжения_dн - номинальный выпрямленный ток преобразователя.

электромеханическая постоянная определяется по формуле:

где J - момент инерции привода, С=кФ

_мех - момент инерции механизма, кгм²_дв - момент инерции двигателя, кгм²

где СД_мех² - маховый момент механизма,- передаточное число механизма,

Момент инерции привода.

Величина С определяется по формуле:

Постоянная n по формуле

для расчета коэффициента усиления тиристорного преобразователя строим сквозную характеристику, т.к. U у преобразователя пилообразно, то угол регулирования α определяется соотношением

где U_он.max - амплитудное значение опорного напряжения =10В для системы УБСР-А4_у - напряжение управления

Расчет сквозной характеристики производим по формуле:

При расчете сквозной характеристики задаемся значением U_у в пределах - U_он.max≤U_у≤U_он.max

По таблице строим сквозную характеристику преобразователя. Поскольку характеристика нелинейная, то расчет будем производить после линеаризации.

Коэффициент усиления тиристорного преобразователя на верхнем пределе регулирования скорости определяется по формуле

где ∆U - изменение напряжения управления на верхнем пределе регулирования скорости

Аналогично определяем коэффициент усиления на нижнем пределе регулирования скорости.

Определение постоянной времени тиристорного преобразователя

где Т_μф - малая постоянная времени системы фазного управления f - частоты питающей сети, Гц

принимаем Т_μтп=0,01с

Расчет контура регулирования тока. Оптимизацию контура регулирования тока производим с оценки критерия.

Следовательно, оптимизацию следует производить по модульному оптимуму. передаточная функция регулятора тока оптимизированного по модульнуму оптимуму будет иметь вид:

где τ_р - время изодрома, сек

К_рт - передаточный коэффициент регулятора тока,

Коэффициент К_рт определяется по формуле:

где К_от - коэффициент обратной связи по току,

Т_μ - некомпенсированная постоянная времени контура тока Т_μ=Т_μтп

где U_от.max=10В - максимальное допустимое значение обратной связи по току

Эквивалентная схема регулятора тока представляет собой ПИ- регулятор. Задаваясь величиной С_орт=1мкф получим

Величины сопротивлений входа регулятора тока R_зт и R_от принимаем равными и рассчитываем

Для упрощения дальнейших расчетов определяют передаточную характеристику, функцию токового замкнутого контура.

где Т_тп= Т_μ

Пренебрегая в уравнении членом высшего порядка, получим:

6. Расчет конура регулирования ЭДС

Составными частями контура регулирования ЭДС двигателя является объект управления, в который входят оптимизированный контур тока и механическая часть электропривода, датчик напряжения и регулирования ЭДС.

Рис. 6.1 Структурная схема контура регулирования тока.

Передаточная функция регулятора ЭДС имеет вид [6]

где Т_а - постоянная времени участка цепи якоря,

К_е - коэффициент обратной связи по ЭДС.

где U_зе.max - напряжение задания соответственно

Е_дв.max - max ЭДС двигателя

Входное сопротивление регулятора ЭДС принимаем

Параметры фильтров на входе системы и цепи обратной связи определяется из уравнения.

Сопротивление на входе регулятора ЭДС по цепи обратной связи по току R_тк определяем.

Для ограничения тока якорной цепи на максимально допустимом уровне необходимо ограничивать U_вых регулятора ЭДС на уровне

Это осуществляется блоком ограничения тока якорной цепи на уровне I_стор производят для формирования необходимой экскаваторной характеристики.

7. Расчет и построение статических электромеханических характеристик

карьерный экскаватор двигатель тахограмма

Нижний предел регулирования, град α_min=49⁰

Верхний предел регулирования, град.

где n- число пульсаций=6 для мостовой схемы выпрямления

Граничный ток, А.

, (7.1)

где L_э - индуктивность цепи выпрямленного тока,

L_э=L_я+L_ср+2L_Т (7.2)_э=2,6*10^-3+2,18*10^-3+1,14*10^-5=5,2*10^-3 мГн

Угловая min скорость холостого хода, с^-1

 (7.3)

Угловая скорость холостого хода, с^-1

 (7.4)

Статическая просадка, с^-1

 (7.5)

 (7.6)

Таблица 7.1. Статические электромеханические характеристики при минимальном угле регулирования.

Таблица 7.2. Статические электромеханические характеристики при максимальном угле регулирования.

8. Переходные процессы при пуске двигателя

Движение электропривода описывается уравнением,

 (8.1)

Эквивалентная постоянная времени.

 (8.2)

где L_э - эквивалентная индуктивность.

_э=L_я+L_СД+авL_Т (8.3)_э=2,6*10^-3+3,18*10^-3+2*5,7*10^-5=5,9*10^-3 Гн

_э- эквивалентное сопротивление_э=0,098 Ом

Механическая постоянная времени, с.

 (8.4)

где J_пр - приведенный момент инерции J_пр=9,35

Начальное ускорение электропривода.

 (8.5)

где  (8.6)

_нач - начальный ток двигателя_с - статический ток двигателя

в зависимости от величины отношения  постоянных времени корня характеристического уравнения

а, следовательно, и характер протекания переходного процесса будет различным

Так как а<4, т.е. Т_м<4Т_э корни характеристического уравнения будут комплексными,

P₁=-α+jq, p₂=-α-jq

Где α= (8.7)

 (8.8)

Переходной процесс будет колебательным. Решение уравнения для этого случая имеет вид.

 (8.9)

Постоянные интегрирования

 (8.10)

 (8.11)

 (8.12)

А=

Закон изменения тока определяется

 (8.13)

где  (8.14)

Таблица 8.1 Переходные процессы при пуске двигателя

9. Расход энергии и КПД

Коэффициент полезного действия

 (9.1)

где Р₂ - мощность, которую тратит двигатель на совершение работы, кВт

 кВт (9.2)

Р₁ - мощность, потребляемая преобразователем из сети, кВт

 (9.3)

U_dн - номинальное напряжение преобразователя, U_dн=600 В- ток потребляемый двигателем за цикл, А

 (9.4)

где U_н - номинальное напряжение двигателя, U_н=395 В

- КПД двигателя,

Н

cosφ_тп- коэффициент мощности преобразователя,

cosφ_тп- cosα_ср

 (9.5)

кВт

 КПД=40%

Расход энергии за цикл, кВт ч

 (9.6)

где Р_ср - средняя за цикл мощность, кВт

 (9.7)

где Р₁ - мощность при пуске

Р₁= (9.8)

где М_п - пусковой момент

Р₂ - мощность при номинальной нагрузке

 (9.9)

Р₃ - мощность при торможении

 (9.10)

где М_т - тормозной момент

кВт ч

Заключение

Рассчитанный электропривод по системе ТП-Д содержит тиристорный преобразователь и двигатель ТП предварительно преобразует переменный ток в постоянный. ТП не имеет вращающихся деталей, что приводит к уменьшению шума, вредного для оператора. Он занимает мало места. Потери его по сравнению с другими схемами электропривод незначительны, соответственно высокий к.п.д. В этой схеме можно использовать дистанционное управление, так как система самонастраивается.

Литература

1. Современные карьерные экскаваторы. Сатовский Б.Н. и др-Н, Недра 1977г.

2. Расчет приводов карьерных машин. Чулков Н.Н. - М, Недра 1971 г.

. Комплектные тиристорные электроприводы. Справочник Энергоиздат 1988 г.

. Системы подчиненного регулирования эл. приводов переменного тока с вентильным преобразователем. Слежановский О. М. М, Энергоиздат 1983 г.

. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий. Промышленные электрические сети. Под редакцией Федорова - Сербинского - М Энергия 1980 г.