МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Уральский государственный университет» Политехнический институт Кафедра «Электропривод, мехатроника и электромеханика» Направление подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ Заведующий кафедрой электропривода, мехатроники и электромеханики, д.т.н., профессор ____________________ / М.А. Григорьев / «_____» _______________2023 г. Электропривод тележки стана наружной сварки прямошовных труб ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА ПО ПРОГРАММЕ БАКАЛАВРИАТА «ЭЛЕКТРОПРИВОД И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ УСТАНОВОК И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ» ЮУрГУ–13.03.02.2023.051ВКР Руководитель, к.т.н., доцент / Н.И. Неустроев / «_____» _______________2023г. Автор работы, бакалавр группы ПЗ - 576 / Н.А. Трошин/ «_____» _______________2023г. Нормоконтролер, / Н.М. Максимов / «_____» _______________2023г. Челябинск 2023 ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Институт Направление Политехнический Электроэнергетика и электротехника УТВЕРЖДАЮ: Зав. кафедрой __________________/ М.А. Григорьев / “____”____________________ 2023г. ЗАДАНИЕ к выпускной квалификационной работе бакалавра Трошина Николая Анатольевича 1. Тема выпускной квалификационной работы Электропривод тележки стана наружной сварки прямошовных труб утверждена приказом по университету от “25” апреля 2022 № 760-13/12 (приложение № 17) 2. Срок сдачи бакалавром законченной выпускной квалификационной работы __________________________________________________________________ 3. Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов) 1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 1.1 Характеристика участка сварки труб «2020-2520» цеха №6 ПАО «ЧТПЗ» 1.2 Характеристика и технологический процесс тележки 1.3 Исходные данные для проектирования 2 ВЫБОР И РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 2.1 Выбор электродвигателя 2.2 Выбор редуктора 2.3 Приведения статических моментов к валу двигателя 2.4 Предварительная проверка двигателя по нагреву и производительности 3 ВЫБОР ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА СИСТЕМЫ ПЧАД 3.1 Выбор преобразователя 3.2 Выбор фильтров, автоматических выключателей, тормозного резистора 3.3 Разработка и описание принципиальной схемы 4 РАСЧЁТ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИВОДА 4.1 Расчёт статических характеристик 4.2 Расчёт переходных процессов электропривода 4.3 Интегральные показатели переходных процессов 5 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТЕЛЕГИ СВАРОЧНОГО СТАНА В ПРОГРАММНОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ MATLAB+SIMULINK 5.1 Модель электоропривода в Matlab + Simulink 5.2 Настройка системы управления в Matlab + Simulink 5.3 Динамические характеристики при разгоне и торможения электродвигателя ЗАКЛЮЧЕНИЕ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ПРИЛОЖЕНИЕ А 4. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей) Рисунок 6 – Технологический процесс Рисунок 7 – Кинематическая схема механизма передвижения тележки Рисунок 9 – Нагрузочная диаграмма моментов Рисунок 24 – Естественная характеристика электродвигателя Рисунок 25 – Характеристики на участке 1 Рисунок 26 – Характеристика на участке 2 Рисунок 27 – Характеристика на участке 3 Рисунок 29 – Нагрузочные диаграммы пуска и торможения двигателя в системе ПЧ –АД Рисунок 31 – Функциональная схема системы регулирования скорости асинхронного двигателя с управлением по вектору потокосцепления ротора Рисунок 45 – Динамические характеристики при разгоне и торможения электродвигателя Рисунок 46 – Переходный процесс пуска электропривода Рисунок 47 – Переходный процесс торможения электропривода Зав. кафедрой ____________________________________ /М. А. Григорьев/ Руководитель ВКР _______________________________/Н. И. Неустроев/ Бакалавр _______________________________________/Н. А. Трошин/ АННОТАЦИЯ Трошин Н. А. Электропривод тележки стана наружной сварки прямошовных труб – Челябинск: ЮУрГУ,ЭПМЭМ ;2023, 96с, 24 ил., 18 табл., библиографический список – 13 наименований, 1 листа чертежа. В данной выпускной квалификационной работе рассмотрен электропривод тележки стана наружной сварки прямошовных труб для эксплуатации в электросварочном цехе «ТЭСЦ № 6» ОА ЧТПЗ. Выполнен анализ технологического процесса, построены диаграммы нагрузок и скоростей рабочего органа электропривода. Из проведенного анализа и диаграмм выполнен расчёт требуемой мощности двигателя. На основании этого расчёта выбран двигатель и редуктор. Проведена проверка выбранного двигателя по критериям нагрева, перегрузочной способности и производительности. Сделан выбор основных элементов системы ПЧ-АД. С помощью программного обеспечения Matlab+Simulink, был выполнен: – расчёт характеристик двигателя; – расчёт переходных процессов пуска и торможения в системе ПЧ-АД; – моделирование выбранного электропривода. Изм. Лист № докум. Разраб. Трошин Н.А Провер. Реценз. Неустроев Н.И Н. Контр. Максимов Н.М Утверд. Григорьев М.А Подпись Дата ЮУрГУ - 13.03.02.2023.051.01ПЗ Лит. Лист Листов Электропривод 96 4 тележки стана ЮУрГУ наружной сварки Кафедра «ЭПМЭМ» прямошовных труб ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………5 1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА…………………..………..8 1.1 Характеристика участка сварки труб «2020-2520» цеха №6 ПАО «ЧТПЗ»…………………………………………………………….………8 1.2 Характеристика и технологический процесс тележки……….……….9 1.3 Исходные данные для проектирования………..……….……….…….13 Выводы по главе 1………………………………………………………….15 2 ВЫБОР И РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА..17 2.1 Выбор электродвигателя ………….…………………………….…….17 2.1.1 Нагрузочная диаграмма рабочего органа………………………..18 2.1.2 Нагрузочная диаграмма моментов………………………..……...21 2.1.3 Расчёт мощности двигателя………………………...…………….26 2.1.4 Выбор типа двигателя…………………………………..................27 2.1.5 Расчёт параметров электродвигателя…………………………….29 2.2 Выбор редуктора…………………………………...…………………..34 2.3 Приведения статических моментов к валу двигателя……………….36 2.4 Предварительная проверка двигателя по нагреву и производительности……………………………………………………..41 Выводы по главе 2………………………………………………………….45 3 ВЫБОР ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА СИСТЕМЫ ПЧ-АД……………………….………….……………………………………….46 3.1 Выбор преобразователя……..………………………………………....46 3.2 Выбор фильтров, автоматических выключателей, тормозного резистора………………………………………………………………....50 3.3 Разработка и описание принципиальной схемы…………..………….56 Выводы по главе 3………………………………………………………….56 4 РАСЧЁТ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИВОДА……………………...58 4.1 Расчёт статических характеристик…………………………..………..58 4.2 Расчёт переходных процессов электропривода……………………....63 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 5 4.3 Интегральные показатели переходных процессов…………………...66 4.3.1 Проверка на перегрузочную способность…………………….….66 4.3.2 Проверка двигателя по нагреву…………………………...……...68 4.3.3 Проверка преобразователя по нагреву…………………………...70 Выводы по главе 4………………………………………………………….71 5 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТЕЛЕГИ СВАРОЧНОГО СТАНА В ПРОГРАММНОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ MATLAB+SIMULINK...72 5.1 Модель электоропривода в Matlab + Simulink………………………..72 5.2 Настройка системы управления в Matlab + Simulink………………...73 5.2.1 Расчёт дополнительных параметров электродвигателя для настройки модели………………………………………….………….75 5.2.2 Настройка внутреннего контура статора по оси х……………....77 5.2.3 Настройка контура потокосцепления ротора…………………....81 5.2.4 Настройка регулятора потока в «большом»..…………………....85 5.2.5 Настройка контура регулирования скорости………………….…86 5.3 Динамические характеристики при разгоне и торможения электродвигателя…………………….…………………………………..89 Выводы по главе 5………………………………………………………….91 ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………...……………………………93 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………….……...94 ПРИЛОЖЕНИЕ А…………………………………………………..……….…96 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 6 ВВЕДЕНИЕ Одной из лидирующих отраслей российской металлургии является трубная промышленность. Она заслужено удерживает свои позиции благодаря новым технологиям, применению современного оборудования и качеству изготовляемой продукции. Развитие этой отрасли в большей мере определяет возможности экономики, увеличение ВВП благодаря выпуску уникальной, технически сложной продукции. Главным потребителем трубной продукции является внутренний нефтегазовый и строительный рынок. Повышение качества продукции и расширение объёма производства позволяет выпускать изделия, соответствующие международным стандартам, что ведёт к увеличению экспорта на мировом рынке. С ростом промышленности в стране увеличивается потребление стальных труб – это транспортировка и переработка углеводородов, выработка атомной и тепловой энергии, материал для строительной индустрии. В наиболее развитых странах объём производства сварных труб составляет около 60% от всего имеющего ассортимента труб и держится на стабильном уровне. Это объясняется технико-экономическими преимуществами сварных труб. Так при изготовлении электросварных труб расходов на электроэнергию в 2–3 раза меньше, чем при изготовлении бесшовных. Важным условием для развития внешней торговли является наличие конкурентоспособных экспортных товаров. Конкуренция на мировом рынке со стороны Китая и стран Юго-Восточной Азии стремительно возрастает, что стимулирует отечественную отрасль постоянно находится на высоком подъёме, принимать новые Отечественные наукоёмкие производители идеи, выводят реализовывать на рынок смелые новые проекты. продукты для энергетической, машиностроительной и других отраслей. Для изготовления продукции высокого качества разрабатываются специальные стали и сплавы, предлагаются сложные инженерные решения с использование инновационных технологий. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 7 Для конкурентоспособности на мировом рынке и развития Российской промышленности в целом, Трубная Металлургическая Компания (ТМК) в 2022 году поставила задачу на площадке АО «ЧТПЗ» реализовать проект, по выпуску электросварных прямошовных труб диаметром 2520 мм, изготовляемых из двух полуцилиндрических заготовок. Одно из основных предназначений данного вида труб – строительство портовых берегозащитных укреплений в регионах со сложными климатическими условиями [1]. В России ТМК занимает лидирующие позиции в изготовлении стальных труб. Компания объединяет крупные производственные площадки, среди которых Ростовская, Волгоградская, Свердловская, Оренбургская, Смоленская, Челябинская области. На всех предприятиях ТМК действует система менеджмента качества, сертифицированная на соответствие требованиям международного стандарта ISO 9001:2008 [1]. Завод АО «ЧТПЗ» имеет большой опыт по производству электросварных прямошовных труб большого диаметра методом многодуговой сварки. И даже для такого предприятия, этот проект был уникален так, как на предприятии максимальный диаметр труб, который выпускался составлял 1420 мм. Сборка и сварка труб диаметром 2520 мм осуществляется на специально спроектированном участке в трубоэлектросварочном цехе №6 ЧТПЗ, полуцилиндры из металлического листа формуются в цехе «Высота 239». Процесс сварки наружных швов выполняется на станах наружной сварки, включающие в себя самоходную сварочную тележку. Тележка является важным элементом технологического процесса сварки и на прямую влияет на качество шва и как, следствие на выпускаемую продукцию. Передвижение телеги осуществляется с помощью электропривода. Электропривод является неотъемлемой частью технологического процесса телеги сварочного стана. Правильный расчёт электропривода, выбор электрооборудования, настройка системы управления безусловно влияют на технологический процесс, а в итоге на выпускаемую продукцию. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 8 Выбор электрооборудования выполняется из условий и требований, квалификационной работы – разработать предъявляемых к электромеханической системе. Цель данной выпускной электропривод тележки стана наружной сварки прямошовных труб. Для решения поставленной цели планируется выполнение следующих задач: 1) проанализировать технологический процесс; 2) выбрать и рассчитать основные элементы электропривода; 3) выбрать основные элементы электропривода системы ПЧ-АД; 4) рассчитать характеристики двигателя; 5) проверить двигатель по нагреву и производительности; 6) смоделировать выбранный электропривод в Matlab+Simulink. Технология процесса предусматривает соблюдение определённой скорости движения телеги при сварке, что также надо учитывать при выборе типа электродвигателя, редуктора и силовых элементов систем электропривода. Правильный расчёт и выбор электрооборудования влияет на затраты, срок службы, простой оборудования. Необходимой частью работы является моделирование электропривода в программном обеспечение Matlab + Simulink и настройка системы управления, что позволяет снять динамические характеристики и удостоверится в правильности выбора электрооборудования электропривода тележки. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 9 1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 1.1 Характеристика участка сварки труб «2020-2520» цеха №6 ПАО «ЧТПЗ» Работа на участке осуществляется следующими основными действиями: два полуцилиндра собираются в одну заготовку и подаются на стан наружной сварки. Трубные полуцилиндры с входных рольгангов с помощью выравнивающего устройства кромки полуцилиндров, устанавливаются в одной горизонтальной плоскости и передаются в устройство сборки, где выполняется сварка внутреннего шва. С помощью сварочных автоматов в среде углекислого газа проходит сварка технологического шва. Сварка внутренних швов труб осуществляется трёхдуговой сварочной головкой АД-271. Первый электрод подключен к источнику постоянного тока, а последующие электроды питаются от источника переменного тока. В качестве источника постоянного тока используется выпрямители DC1000, подключенные параллельно друг к другу, трансформаторы типа АС-1500 применяют как источник переменного тока [2]. Сваривание наружных технологических швов происходит на станах наружной сварки (рисунок 1.1). Рисунок 1.1 – Стан наружной сварки Стан наружной сварки состоит из [2]: - сварочной тележки; - эстакады; Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 10 - балкона и рабочей площадкой; - оборудования для процесса сварки; - флюсоаппаратуры; - устройства по размотки сварочной проволокой; - силового источника питания; - оборудования для удаления шлака. Процесс сварки сварочного шва происходит при горизонтальном положении трубы. Для сваривания наружных швов применяется автоматический пяти дуговой процесс. Для питания первой дуги применяются два сварочных выпрямителя US DC 1000, а на остальных дугах - сварочные трансформаторы US АС 1500 [2]. Первая дуга подключается к источнику постоянного тока, а остальные питаются постоянным током имея сдвиг по фазе, относительно друг друга 90°. Суммарная погонная энергия составляет 5,2-5,3 кДж/мм. Сварка продольных швов таким методом обеспечивает прочность и пластичность требуемых характеристик. 1.2 Характеристика и технологический процесс тележки Сварочная тележка обеспечивает передвижение трубы во время сварочного процесса. Устройство сварочной тележки состоит из ведущей тележки и ведомой тележки соединённые сцепкой (рисунок 1.2). Рисунок 1.2 – Ведущая и ведомая тележка, соединённая сцепкой Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 11 Тележки практически полностью идентичны, отличие заключается в том, что на ведомой телеге на оси колёсной пары установлен 1 мотор редуктор (рисунок 1.3), который обеспечивает передвижение тележки с заданной скоростью и в нужном направлении. Рисунок 1.3 – Ведущая тележка Тележки изготавливаются из металлического профиля особой формы сваренных между собой, что образует раму. К раме крепится ось с колесной парой. Колёсная пара выполнена в виде роликов, которые передвигаются по рельсовому пути, обеспечивая передвижение телеги. Тележки оснащены опорными роликами (рисунок 1.4). Опорные ролики предназначены для размещения трубной заготовки и связаны с приводом, обеспечивающим поворот трубной заготовки на 360° в положение «под сварку». Рисунок 1.4 – Опорные ролики Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 12 Основные технические характеристики телеги сварочного стана приведены в (таблице 1.1) Таблица1.1 – Технические характеристики телеги сварочного стана Параметры Грузоподъёмность Скорость поворота трубы Максимальная скорость перемещение Масса Длина Размерность т мм/с м/ч Значение 30 20 350 кг мм 3172 6835 В используется электроприводе тележки асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Такой вид двигателя при своей простоте и невысокой цене является надёжным устройством. Управление электродвигателем предполагает автоматизацию всей его работы, включая пуск, торможение, реверс и регулирования скорости электропривода. Частотное регулирование, может использоваться для управления скоростью электродвигателя в зависимости от характера нагрузки. Это позволяет избежать сложных переходных процессов в электрической сети и обеспечить наиболее экономичный режим работы. Частотное регулирование позволяет автоматизировать производственные процессы, экономит энергию и повышает надежность работы всей системы. Упрощённая электрическая схема передвижения тележки (рисунок 1.5). Рисунок 1.5 – Упрощённая электрическая схема передвижения тележки Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 13 Технологический процесс происходит таким образом (рисунок 1.6), что труба с помощью транспортной телеги выполняет ряд операций, при которых её положение и позиционирование меняется. В начальной позиции 1 на тележку грузится труба, после оператор в ручном режиме подгоняет тележку к сварочной установке позиции 2, пока сварочная головка не займёт своё положение. Оператор вращает трубу опорными роликами до стыка кромок на «12 часов», делает необходимые настройки сварочной аппаратуры. Включает процесс сварки. Телега начинает движение на рабочая скорости 60 м/ч проезжает 8 м и останавливается позиция 4. Включается электропривод опорных роликов, тем самым выполняет поворот трубы. Электропривод передвижения выполняет реверс, и телега на повышенной скорости 300 м/ч едет в позицию 2, телега останавливается. Опорные ролики завершают поворот трубы, до стыка кромок на «12 часов» другой стороны трубы, где сварочная головка занимает своё положение. Оператор делает предварительные настройки сварочного оборудования и включает процесс сварки. Телега начинает движение на рабочей скорости 60 м/ч проезжает 8 м позиция 4, затем включается повышенная скорость 300 м/ч и тележка направляется на выгрузку трубы, проезжает 8 м и останавливается в позиции 6. После выгрузки трубы телега на повышенной скорости 300 м/ч возвращается в позицию 1. Рисунок 1.6 – Технологический процесс Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 14 1.3 Исходные данные для проектирования Электропривод телеги сварочного стана является объектом для проектирования. Нагрузка механизма телеги сварочного стана изменяется в течение всей работы, включает в себя: - разгон до рабочей скорости; - работу на этой скорости; - торможение и реверс; - возвращение в исходное положение на более высокой скорости. Во время работы механизма телеги сварочного стана, скорость и момент должны быть отрегулированы. Происходит процесс увеличение и уменьшение нагрузочного момента. Для проектирования электропривода изучается, технологический процесс и технические характеристики телеги сварочного стана. На основе этого процесса, формулируются требования к электроприводу телеги сварочного стана. Принцип действия телеги сварочного стана или ее рабочего органа изучается с помощью кинематической схемы, на которой показаны все движущиеся динамические массы, прослеживаются пути передачи мощности от приводного вала рабочей машины к выходному органу. На основании принципа действия телеги сварочного стана, производится расчёт движения телеги, определяются требования к электроприводу телеги, которые включают в себя диапазон регулирования скорости. На (рисунке 1.7) приведена кинематическая схема механизма передвижения тележки [3]. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 155 Рисунок 1.7 – Кинематическая схема тележки: 1- электродвигатель; 2 - ходовые колёса; 3 - муфта; 4 - редуктор. На основе анализа технологического процесса к электроприводу тележки сварочного стана, для перемещения одной трубы можно сформулировать следующие требования: – обеспечить диапазон регулирования скоростей 1:10; – обеспечить ускорение не более 0,5 м/с; – обеспечить перемещение груза общей массой до 30 тонн; – обеспечить перемещение груза с заданной скоростью вне зависимости от изменения нагрузки; – электропривод должен обеспечивать реверс. Исходные данные приведены в (таблице 1.2). Таблица 1.2 – Исходные данные Параметры Масса тележки Масса груза Диаметр колеса Путь Запись m 𝑚г 𝐷𝑘 L Размерность кг кг м м Значение 3200 30000 0,34 48 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 16 Продолжение таблицы 1.2 Параметры Рабочая скорость Запись 𝑉𝑝 Размерность м/с Значение 0,02 Скорость возврата Среднее ускорение 𝑉пов 𝑎доп м/c м/с2 0,08 0,025 Время работы 𝑡𝑝 с 1600 Число циклов Z 1/ч 2 Диаметр ступицы колеса находится по формуле: 𝑑ст = 0,3 ∙ 𝐷𝑘 , (1) 𝑑ст = 0,3 ∙ 0,34 = 0,1 м. Коэффициент трения скольжения в подшипниках: 𝜇 = 0,005 Коэффициент трения качения: 𝑓 = 0,0015 м Крутильная жёсткость: 𝐶𝑘 = 50 МНм/рад Коэффициент, учитывающий трение рёбер колёс: 𝐾рб = 1,3 Коэффициент учитывающий число колёсных пар: а=2. Выводы по главе 1 В данной выпускной квалификационной работе будем рассматривать электропривод телеги сварочного стана с регулируемым асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. Во время работы механизма телеги сварочного стана, скорость и момент должны быть отрегулированы. Происходит процесс увеличение и уменьшение нагрузочного момента. Для проектирования электропривода изучается, технологический процесс и технические характеристики телеги сварочного стана. На основе этого процесса, формулируются требования к электроприводу телеги сварочного стана. На основании технологического процесса и технических характеристик тележки формируются требования, предъявляемые к электроприводу. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 177 Анализируем кинематическую схему, где видны протекания мощности по всей системе: от вала двигателя до привода телеги. На основании принципа действия телеги сварочного стана, составляются уравнения движения телеги, определяются требования к электроприводу телеги. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 188 2 ВЫБОР И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 2.1 Выбор электродвигателя Выбор двигателя по мощности обычно осуществляется, по критерию нагрева с последующей проверкой по перегрузочной способности. Для того чтобы использовать критерий нагрева, необходимо знать, нагрузку на двигатель, которая также зависит и от параметров двигателя [3]. Поэтому сначала необходимо выбрать двигатель, рассчитать нагрузку при заданных условиях работы электропривода, а затем проверить выбранный двигатель по критерию нагрева и перегрузочной способности. На первом этапе производится предварительный расчет мощности двигателя, так как общая нагрузка двигателя неизвестна. На основании исходных данных наиболее точно рассчитать можно, только статические моменты. Динамические моменты, которые зависят от параметров двигателя, пока еще не известны. Самый простой способ предварительного расчета мощности двигателя основан только на статических моментах. Сначала необходимо указать приблизительное значение момента или мощности двигателя. Если на этапе предварительного расчета мощности двигателя указать значение допустимого ускорения, то можно определить не только статические моменты, но и часть динамических моментов электропривода. Исходя из нагрузочной диаграммы рабочей машины предварительно выбираем двигатель. Для расчёта нагрузок для всех участков нагрузочной диаграммы используется - метод среднеквадратичного момента. Из сказанного ясно, что этот расчёт не даёт точного результата для требуемой мощности двигателя и требует проверки. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 19 2.1.1 Нагрузочная диаграмма рабочего органа На основании исходных данных для проектирования можно, рассчитать и построить зависимость скорости от времени V(t) телеги сварочного стана. Используя данные среднего допустимого ускорения 𝑎доп , заданных расстояния перемещения L и требуемой скорости 𝑉у [3]. Определим время пуска 𝑡п до заданной скорости с допустимым ускорением, торможения 𝑡т от требуемой скорости до полной остановки [3]. При движении с грузом: 𝑡п1 = 𝑡т1 = 𝑡п1 = 𝑡т1 = 𝑉𝑝 , 𝑎доп (2) 0,02 = 0,8 с. 0,025 При движении без груза на повышенной скорости [3]: 𝑡п4 = 𝑡т4 = 𝑡п4 = 𝑡т4 = 𝑉пов , 𝑎доп (3) 0,08 = 3,2 с. 0,025 Путь, который проходит рабочая машина за время пуска (торможения) при движении с грузом [3]: 𝑉𝑝2 𝐿п1 = 𝐿т1 = , 2 ∙ 𝑎доп (4) 0,022 𝐿п1 = 𝐿т1 = = 0,008 м. 2 ∙ 0,025 Путь, который проходит рабочая машина за время пуска (торможения) при движении с грузом на повышенной скорости [3]: 2 𝑉пов 𝐿п2 = 𝐿т2 = , 2 ∙ 𝑎доп (5) 0,082 𝐿п2 = 𝐿т2 = = 0,12 м. 2 ∙ 0,025 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 20 Установившееся время при движении с грузом со скоростью 𝑉пов [3]: 𝑡у1 = 𝐿1 − (𝐿п2 + 𝐿т2 ) , 𝑉пов (6) где 𝐿1 – путь, пройденный с грузом при заданной скорости 𝑉пов [3].𝐿1 = 2 м Тогда, 𝑡у2 = 2 − (0,02 + 0,02) = 22 с. 0,08 Установившееся время при движении с грузом со скоростью 𝑉р [3]: 𝑡у2 = 𝐿2 − (𝐿п1 + 𝐿т1 ) , 𝑉𝑝 (7) где 𝐿1 – путь, пройденный с грузом при заданной скорости 𝑉𝑝 [3] 𝐿2 = 8 м Тогда, 𝑡у2 = 8 − (0,001 + 0,001) = 400 с. 0,02 𝑡у2 = 𝑡у4 Время установившегося режима движения с грузом со скоростью 𝑉пов [3]: 𝑡у3 = 𝐿1 − (𝐿п2 + 𝐿т2 ) , 𝑉𝑝 (8) где 𝐿1 – путь, пройденный с грузом при заданной скорости 𝑉пов [3]. 𝐿1 = 8 м Тогда, 𝑡у3 = 8 − (0,12 + 0,12) = 97 с. 0,08 𝑡у3 = 𝑡у5 Время установившегося режима движения без груза со скоростью 𝑉пов [3]: 𝑡у6 = 𝐿6 − (𝐿п2 + 𝐿т2 ) , 𝑉𝑝 (9) где 𝐿6 – путь, пройденный с грузом при заданной скорости 𝑉пов [3]. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 21 𝐿6 = 16 м Тогда, 𝑡у6 = 18 − (0,12 + 0,12) = 222 с. 0,08 По найденным результатам установившегося времени на каждом участке работы технологического процесса, мы можем построить временные диаграммы зависимости скорости от времени. График зависимости V(t) изображен на (рисунке 2.1). Рисунок 2.1 – График зависимости V(t) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 22 Нагрузочная диаграмма моментов 2.1.2 Для расчёта мощности электродвигателя построим нагрузочную диаграмму. Чтобы построить нагрузочную диаграмму требуется определить полный момент рабочего органа. Для нахождения этого момента необходимо найти статические и динамические моменты, на каждом участке работы технологического процесса. Статические моменты сопротивления движению в рабочих машинах создаются силой трения и силой тяжести. На каждом участке работы необходимо определить виды моментов сопротивления движению и выполнить необходимые расчеты по формулам. На каждом участке статический момент находится суммой всех моментов 𝑀рост = Σ М. Статический момент (𝑀рост ) , находится с учетом трения колёс о рельсы и суммой момента силы трения (𝑀тп ) и момента силы трения качения (𝑀тк ) [4]: 𝑀рост = 𝑘рб (𝑀тп + 𝑀тк ), (10) Найдём момент силы трения скольжения в подшипниках при движении с грузом [4]: 𝑀тп1 = (𝑚т + 𝑚г ) ∙ 𝑑ст ∙ 𝜇 ∙ 𝑔 , 2 (11) где 𝑔 = 9,8 м ∙ с2 – ускорение свободного падения. 𝑀тп1 = (3200 + 30000) ∙ 0,1 ∙ 0,02 ∙ 9,8 = 325 Нм. 2 Найдём момент силы трения скольжения в подшипниках при движении без груза [4]: 𝑀тп2 = 𝑀тп2 = 𝑚1 ∙ 𝑑ст ∙ 𝜇 ∙ 𝑔 , 2 (12) 30000 ∙ 0,1 ∙ 0,02 ∙ 9,8 = 294 Нм. 2 Найдём момент силы трения качения при движении с грузом [4]: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 23 𝑀тк1 = (𝑚т + 𝑚г ) ∙ 𝑓 ∙ 𝑔, (13) 𝑀тк1 = (3200 + 30000) ∙ 0,0005 ∙ 9,8 = 163 Нм. Найдём момент силы трения качения при движении без груза [4]: 𝑀тк2 = 𝑚т ∙ 𝑓 ∙ 𝑔, (14) 𝑀тк2 = 𝑚т ∙ 0,0005 ∙ 9,8 = 147 Нм. Учитывая моменты силы трения качения и скольжения, действующие не только на ведущую тележку, но и на ведомую, то найденные моменты следует увеличить в два раза. Тогда, 𝑀тп = 650 Нм, 𝑀тп = 500 Нм, 𝑀тк1 = 326Нм, 𝑀тк2 = 294 Нм. Статический момент на валу рабочего органа находим при движении с грузом по формуле (10): 𝑀рост1 = 1,3 ∙ (650 + 500) = 1495 Нм. Статический момент на валу рабочего органа находим при движении без груза по формуле (10): 𝑀рост2 = 1,3 ∙ (326 + 294) = 718 Нм. Для нахождения динамического момента определим момент инерции рабочего органа с грузом [4]: 𝐷2 𝐽ро1 = (𝑚т + 𝑚г ) ∙ , 4 (15) 0,342 𝐽ро1 = (3200 + 30000) ∙ = 925 кг ∙ м2 . 4 Определим момент инерции рабочего органа без груза [4]: 𝐷2 𝐽ро2 = 𝑚т ∙ 4 кг ∙ м2 , (16) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 24 0,342 𝐽ро2 = 3200 ∙ = 92 кг ∙ м2 . 4 Определяем динамический момент [4]: 𝑀родин = 𝐽ро ∙ 2 ∙ 𝑎доп , 𝐷 (17) Динамический момент с грузом: 𝑀родин1 = 925 ∙ 2 ∙ 0,2 = 1088 Нм. 0,34 Динамический момент без груза: 𝑀родин2 = 92 ∙ 2 ∙ 0,2 = 108 Нм. 0,4 Учитывая динамические моменты, действующие не только на ведущую, но и на ведомую тележку, то найденные моменты следует увеличить в два раза. Тогда, 𝑀родин1 = 1088 ∙ 2 = 2176 Нм. 𝑀родин2 = 108 ∙ 2 = 216 Нм. На каждом участке технологического определяем полный момент рабочего органа[3]: 𝑀ро = 𝑀рост ± 𝑀родин , (18) 1) Разгон тележки с грузом: 𝑀ро1 = 1495 + 2176 = 3671 Нм, 2) Равномерное движение с грузом: 𝑀ро2 = 𝑀рост1 = 1495 Нм, 3) Торможение тележки с грузом: 𝑀ро3 = 𝑀рост1 − 𝑀родин1 = 1495 − 2176 = − 681 Нм, 4) Разгон тележки без груза: 𝑀ро4 = 718 + 108 = 826 Нм, 5) Равномерное движение без груза: 𝑀ро5 = 718 Нм, Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 25 6) Торможение тележки без груза: 𝑀ро6 = 718 − 108 = 610 Нм, По найденным результатам скоростей и моментов для каждого участка движения мы можем построить нагрузочную диаграмму моментов. Нагрузочная диаграмма моментов приведена на (рисунке 2.2). Рисунок 2.2 – Нагрузочная диаграмма моментов Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 26 2.1.3 Расчёт мощности двигателя Для того, чтобы выбрать электродвигатель нужно произвести расчёт мощности электродвигателя. Расчёт мощности двигателя рассчитывается по среднеквадратичному значению момента [3]. На основании временной и нагрузочной диаграммы рассчитываем среднеквадратичное значение момента. Определим среднеквадратичное значение момента [3]: 2 ∑𝑚 𝑘=1 𝑀𝑘 ∙ 𝑡𝑘 𝑀сркв = √ , ∑𝑚 ∙ 𝑡 𝑘 𝑘=1 (19) где 𝑀𝑘 – момент двигателя на k - участке; 𝑡𝑘 – длительность k - участка. 36712 ∙ 0,12 + 14952 ∙ 22 + (−681)2 ∙ 0,12 + 36712 ∙ 0,008 + 𝑀сркв = √ 0,12 + 22 + 0,12 + 0,008 + +14952 ∙ 400 + (−681)2 ∙ 0,008 + 36712 ∙ 0,12 + 14952 ∙ 97 + (−681)2 × √ +400 + 0,008 + 0,12 + 97 + × 0,02 + 36712 ∙ 0,001 + 14952 ∙ 400 + (−681)2 ∙ 0,001 + 36712 ∙ 0,02 + 14952 × √ +0,12 + 0,008 + 400 + 0,008 + 0,12 + × 97 + (−681)2 ∙ 0,12 + 8262 ∙ 0,12 + 7182 ∙ 222 + 6102 ∙ 0,12 √ = 2417 Нм +97 + 0,12 + 222 + 0,12 Время цикла: 𝑡𝑧 = 3600 = 1800 𝑐. 2 Продолжительность включения ПВфакт по времени работы 𝑡𝑘 на всех m участках движения времени [3]: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 27 𝑚 1 ПВфакт = ∙ ∑ 𝑡𝑘 , 𝑡𝑧 (20) 𝑘=1 ПВфакт = 1 (0,02 + 25 + 0,02 + 0,001 + 400 + 0,001 + 0,02 + 100 + 1800 +0,02 + 0,001 + 400 + 0,001 + 0,02 + 100 + 0,02 + 225 + 0,02) = 83%. Расчётная мощность двигателя [3]: 𝑃дв = 𝑘1 ∙ 𝑀сркв ∙ 2𝑉0 ПВфакт ∙√ , 𝐷 ПВ (21) где 𝑘1 – коэффициент, учитывающий потери мощности в редукторе 𝑘1 = 1,8 ; 𝑉0 – максимальная скорость движения РО. Продолжительный режим работы принимаем ПВ=80%. 𝑃дв = 1,8 ∙ 2417 ∙ 2 ∙ 0,08 83 ∙ √ = 2085 Вт 0,34 80 2.1.4 Выбор типа двигателя Для разрабатываемого электропривода выбор двигателя производится исходя из параметров [3]: - конструкции; - скорости; - типа и мощности. При выборе электродвигателя по конструктивному исполнению необходимо соблюдать условия эксплуатации электропривода. Под этим следует понимать условия, подходящие по способу защиты от воздействия окружающей среды. Выбирая двигатель учитываем требуемую скорость технологического процесса. Значение мощности, которая указана в каталоге (ПВкат ), выбранного двигателя должна быть несколько больше расчётной мощности 𝑃дв рассчитанная по формуле (21) [3]. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 28 Асинхронные двигатели обладают рядом преимуществ: - низкая цена; - обладает повышенной надежностью; - непривередлив в обслуживании. Для повышения надежности и срока службы электродвигателя применяем частотно-регулируемый электропривод с микропроцессорным управлением. Исходя из данной информации выбираем общепромышленные трехфазные асинхронные электродвигатели АИР90L4 (см. рисунок 2.3) [5]: – на напряжение 220/380В (шесть клемм в коробке выводов); – климатического исполнения У, категории размещения – 3 (эксплуатация в закрытых помещениях без регулирования климатических условий); – режим работы - продолжительный, S1; – степень защиты – IP55. Рисунок 2.3 – Общепромышленные трехфазные асинхронные электродвигатели АИР90L4 Параметры электродвигателя АИР90L4 приведены в (таблице 2.1). Таблица 2.1 – Параметры электродвигателя АИР90L4 Показатель Мощность Частота вращения вращения) Запись и размерность 𝑃н , кВт (Ном.частота 𝑤н , об/мин Значение 2,2 1410(1500) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 29 Продолжение таблицы 2.1 Показатель Номинальный ток КПД Коэффициент мощности Крутящий момент, Кратность max момента Запись и размерность 𝐼н , А 𝜂, % cos 𝜑 М, Нм М𝑚 𝜆= Мн Мп 𝜇к = Мн 𝐼п 𝑖к = 𝐼н 𝐽д , кгм2 Кратность пускового момента Кратность пускового тока Момент инерции 2.1.5 Значение 5,09 80 0,81 14,9 2,3 2,3 7 0,0056 Расчёт параметров электродвигателя Для расчёта параметров электродвигателя будем использовать Т - образную схему замещения, которая приведена на (рисунке 2.4) [6]. Рисунок 2.4 – Т- образная схема замещения Найдём номинальное значение скольжения 𝑠н [6]: 𝑤0 − 𝑤н 𝑠н = , 𝑤𝑜 (22) где 𝑤𝑜 – синхронная скорость двигателя; Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 30 𝑤н – номинальная скорость двигателя. Тогда, 𝑠н = 1500 − 1410 = 0,06. 1500 Определим ток намагничивания 𝐼𝜇 (ток холостого хода) [6]: 𝐼1н (1 − 𝑠н ) 2 ] (1 − кз ∙ 𝑠н ) 𝐼𝜇 = √ , (1 − 𝑠н ) 2 1 − [кз ∙ ] (1 − кз ∙ 𝑠н ) 2 𝐼1з − [кз ∙ (23) где 𝐼1з – ток статора при частичной загрузке; 𝐼1н – номинальный ток статора; кз – коэффициент загрузки двигателя равен 0,75. Вычислим номинальный ток статора [6]: 𝐼1н = 𝑃н , 𝑚 ∙ 𝑈1 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜑 ∙ 𝜂 (24) где 𝑃н – номинальная мощность; m – число фаз; 𝑈1 – фазное напряжение. Тогда, 𝐼1н = 2200 = 5,1 А. 3 ∙ 220 ∙ 0,81 ∙ 0,8 Ток статора при частичной загрузке [6]: 𝐼1з = 𝐼1з = кз ∙ 𝑃н , 𝑚1 ∙ 𝑈1 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜑 ∙ 𝜂 (25) 0,75 ∙ 2200 = 3,9 А. 3 ∙ 220 ∙ 0,81 ∙ 0,8 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 31 Находим ток намагничивания 𝐼𝜇 из формулы (23): 5,1(1 − 0,06) 2 ] (1 − 0,75 ∙ 0,06) 𝐼𝜇 = √ = 1,5 А. (1 − 0,06) 1 − [0,75 ∙ ]2 (1 − 0,75 ∙ 0,06) 3,92 − [0,75 ∙ Определим критическое скольжение 𝑠к [6]: 𝜆 + √𝜆2 − [1 − 2 ∙ 𝑠н ∙ 𝛽(𝜆 − 1)] 𝑠𝑘 = 𝑠н , 1 − 2 ∙ 𝑠н ∙ 𝛽(𝜆 − 1) (26) где 𝜆 – кратность максимального момента каталожные данные двигателя; 𝛽 – коэффициент принимаем равный 1,3. Тогда, 2,3 + √2,32 − [1 − 2 ∙ 0,06 ∙ 1,3(2,3 − 1)] 𝑠к = 0,06 = 0,33. 1 − 2 ∙ 0,06 ∙ 1,3(2,3 − 1) Для определения сопротивления обмоток вычислим коэффициенты С1 и А1 [6]: С1 = 1 + 𝐼𝜇 , 2 ∙ 𝑖𝑘 ∙ 𝐼1н (27) где 𝑖𝑘 – кратность пускового тока, каталожные данные двигателя 𝐶1 = 1 + 1,5 = 1,02. 2 ∙ 7 ∙ 5,1 𝑚 ∙ 𝑈12 ∙ (1 − 𝑠н ) А1 = , 2 ∙ С1 ∙ 𝜆 ∙ 𝑃н А1 = (28) 3 ∙ 2202 ∙ (1 − 0,06) = 13,22. 2 ∙ 1,02 ∙ 2,3 ∙ 2200 Находим активное сопротивление ротора, приведённое к обмотке статора ∕ 𝑟2 [6]: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 32 || R2 = || R2 = 𝐴1 , 1 (𝛽 + )𝐶1 𝑠𝑘 (29) 13,22 = 2,99 Ом. 1 (1,3 + ) ∙ 1,02 0,33 | Определим активное сопротивление обмотки статора R1 [6]: | (30) R1 = 𝐶1 ∙ R 2 ∙ 𝛽, | R1 = 1,02 ∙ 2,99 ∙ 1,3 = 3,96 Ом . Рассчитаем параметр 𝛾, каторый позволит найти 𝑥к индуктивное сопротивление короткого замыкания [6]: 1 𝛾 = √( 2 ) − 𝛽 2 , 𝑠𝑘 𝛾 = √( (31) 1 ) − 1,32 = 2,74. 2 0,33 Тогда, индуктивное сопротивление короткого замыкания 𝑥к [6]: / (32) 𝑥к = 𝛾 ∙ 𝐶1 ∙ 𝑟2 , 𝑥к = 2,74 ∙ 1,02 ∙ 2,99 = 8,36 Ом. Определим индуктивное сопротивление рассеяния фазы роторной обмотки || х2 : [6] || х2 = || х2 = 0,58 ∙ 𝑥к , 𝐶1 (33) 0,58 ∙ 8,36 = 4,75 Ом. 1,02 | Найдём индуктивное сопротивление фазы статорной обмотки х1 [6]: | х1 = 0,42 ∙ 𝑥к , (34) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 33 | х1 = 0,42 ∙ 8,36 = 3,51 Ом. Электродвижущая сила в ветви намагничивания 𝐸𝑚 равна [6]: 𝐸𝑚 = √(𝑈1 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜑 − 𝑟1 ∙ 𝐼1н )2 + (𝑈1 √1 − 𝑐𝑜𝑠𝜑 2 + 𝑥1 ∙ 𝐼1н )2 , (35) 𝐸𝑚 = √(220 ∙ 0,81 − 3,96 ∙ 5,1)2 + (220√1 − 0,812 + 3,51 ∙ 5,1)2 = 215,75 В. Сопротивление намагничивания 𝑥𝜇 [6]: 𝐸 𝑥𝜇 = 𝑚 , (36) 𝐼𝜇 𝑥𝜇 = 215,75 = 143,83 Ом. 1,5 Для упрощения расчётов переходят к Г – образной схеме замещения, вынося контур намагничивания на зажимы статора (см. рисунок 2.5) [6]. В этой схеме / легко рассчитать ток ротора 𝐼2 . Рисунок 2.5 – Г – образная схема замещения Тогда, 𝑈1 / 𝐼2 = , (37) || √(R| + R 2 )2 + (х| + х|| )2 1 1 2 𝑠н Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 34 220 | 𝐼2 = 2,99 2 √(3,96 + ) + (3,51 + 4,75)2 0,06 = 4,03 А. Определим электромагнитный момент Мэм [6]: |2 || 3 ∙ 𝐼2 ∙ R 2 /𝑠н Мэм = , 𝑤0 (38) 3 ∙ 4,032 ∙ 2,99/0,06 Мэм = = 15,54 Нм. 157 Выбор редуктора 2.2 Редуктор предназначен для согласования скоростей двигателя и рабочего органа, который соответствует выбранному электродвигателю и требуемым характеристикам. Редуктор должен быть выбран в соответствии с требуемым передаточным числом, скорости выбранного двигателя при этом, учитывая характер нагрузки рабочего органа. Передаточное число выбранного редуктора должно быть равно или немного меньше расчётного значения. Если передаточное число превышает расчётное значение, скорость на валу не достигнет нужного значения и производительность рабочей машины снижается [3]. Рассчитываем передаточное число редуктора 𝑗𝑝 [3]: 𝑗𝑝 = 𝑤н ∙ 𝐷 , 2 ∙ 𝑉р (39) где D – диаметр колеса рабочего органа. Переведём номинальную скорость двигателя из об/мин в рад/с [6]: 𝑤н = 𝑛н , 9,55 (40) где 𝑛н – номинальная частота вращения электродвигателя. Тогда, 𝑤н = 1410 = 147 рад/с. 9,55 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 35 Находим передаточное число редуктора по формуле (39): 𝑗𝑝 = 147 ∙ 0,34 = 322. 2 ∙ 0,08 Мотор-редуктор червячного типа изготавливается на базе электродвигателя, объединённого в единый корпус с редуктором. Это делает мотор-редуктор компактным, тем самым упрощает работу в обслуживании и установке на оборудование. Преимущество червячного зацепления имеет плавный ход и низкий уровень шума, в них используются «насадное» исполнение, что позволяет обходится без соединительных муфт. Особенностью таких редукторов является как «самоторможение» невозможность повернуть выходной вал при остановке ведущего [7]. Выбираем мотор-редуктор червячный двухступенчатый универсальный МЧ280/160 который показан на (рисунке 2.6) [7]. Данный вид, предназначен для увеличения крутящего момента и уменьшения частоты вращения в качестве комплектующих в приводах машин и механизмов: – нагрузка постоянная и переменная; – работа с периодическими остановками и длительная до 24 часов в сутки; – скорость входного вала не более 1500 об/мин; – одного направления и реверсивная; – вращение валов в любую сторону; – атмосфера типов I и II по ГОСТ 15150-69. Рисунок 2.6 – Мотор-редукторы червячные двухступенчатые универсальные МЧ2-80/160 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 36 Характеристики мотор – редуктора приведены в (таблице 2.2). Таблица 2.2 – Характеристики мотор – редуктора МЧ2-80/160 Наименование параметра Тип передачи Количество ступеней передачи Передаточное число Частота вращения входного вала, об/мин. Термическая мощность, кВт КПД, % Допустимая радиальная Входной вал нагрузка Выходной вал 2.3 Значение параметра Червячный Двухступенчатые 320 1500 2,9 72 935 18200 Приведения статических моментов к валу двигателя Для нахождения механической нагрузки создаваемая исполнительным органом приводим статические и динамические моменты к валу двигателя. Критерием приведения моментов к валу двигателя является энергетический баланс механической части электропривода [3]. Расчёт статических моментов приведенные к валу двигателя, без учета потерь в редукторе ( 𝜂𝑃 = 1)[3]: 𝑀𝑝с = 𝑀рост , 𝑗𝑝 (41) Движение с грузом: 𝑀𝑝с = 1495 = 4,67 Нм. 320 Движение без груза: 𝑀𝑝с = 718 = 2,24 Нм. 320 В зависимости от режима работы электропривода рассчитываются статические моменты на валу с учетом потерь в редукторе (Р < 1). Статический момент на валу в двигательном режиме [3]: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 37 𝑀вс = 𝑀𝑝𝑐 , 𝜂𝑃 (42) где 𝜂𝑃 – коэффициент полезного действия редуктора. Движение с грузом: 𝑀вс = 4,67 = 6,4 Нм. 0,72 𝑀вс = 2,24 = 3,1 Нм. 0,74 Движение без груза: В тормозных режимах происходят потери в редукторе которые вызывают уменьшение нагрузки двигателя. Моменты на валу двигателя в тормозных режимах определяются по формуле [3]: 𝑀вс = 𝑀𝑝𝑐 ∙ 𝜂𝑃 , (43) Движение с грузом: 𝑀вс = 4,67 ∙ 0,72 = 3,36 Нм. Движение без груза: 𝑀вс = 2,4 ∙ 0,72 = 1,6 Нм. Учитывая номинальное значение коэффициента полезного действия редуктора 𝜂р приближенно определяем приведенные моменты к валу двигателя. При всех режимах работы электропривода необходимо учитывать момент потерь холостого хода (момент постоянных потерь) двигателя ∆𝑀𝑥 [3]. При работе электродвигателя, происходит увеличение статических моментов на значение момента потерь холостого хода. Потери холостого хода компенсируется за счет электромагнитного момента двигателя. Статический момент уменьшается на величину момента потерь холостого хода тормозном режиме работы. Потери холостого хода компенсируется за счет статического момента рабочего органа. Для каждого участка технологического процесса рассчитаем приведённый статический момент учитывая при этом режимы работы электропривода. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 38 Находим статический момент нагрузки для каждого участка электропривода [3]: 𝑀с = 𝑀вс ± ∆𝑀𝑥 , (44) где ∆𝑀𝑥 – момент потерь холостого хода в двигателе [3] ∆𝑀𝑥 = 𝑀эм − 𝑀вн , (45) где 𝑀эмн – электромагнитный момент; 𝑀вн – номинальный момент на валу двигателя. Рассчитаем момент на валу двигателя: 𝑀вн = 𝑀вн = 𝑃н , 𝑤н (46) 2200 = 14 Нм. 157 Тогда, ∆𝑀𝑥 = 15,54 − 14 = 1,54 Нм. Рассчитываем статический момент для каждого участка электропривода по формуле (44): Движение с грузом в двигательном режиме: 𝑀𝑐 = 6,4 + 1,54 = 7,94 Нм Движение с грузом в тормозном режиме: 𝑀𝑐 = 3,36 − 1,54 = 1,82 Нм Движение без груза в двигательном режиме: 𝑀𝑐 = 3,1 + 1,54 = 4,64 Нм Движение без груза в тормозном режиме: 𝑀𝑐 = 1,6 − 1,54 = 0,06 Нм Определим момент инерции приведенный к валу двигателя[3]: 𝐽 = 𝛿 ∙ 𝐽д + 𝐽пр , (47) где 𝐽д – момент инерции каталожные данные двигателя; 𝛿 – коэффициент, при котором учитывается момент инерции второстепенных элементов электропривода: муфт, тормозного шкива, редуктора и др. 𝛿 = 1,3 … 1,5; Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 39 𝐽пр – момент инерции, приведённый к валу двигателя. 𝐽рост , 𝑗𝑝2 𝐽пр = (48) Движение с грузом: 𝐽пр = 925 = 0,009 кгм2 . 2 320 Движение без груза: 𝐽пр = 92 = 0,0009 кгм2 . 2 320 Движение с грузом: 𝐽 = 1,5 ∙ 0,0056 + 0,009 = 0,0174 кгм2 . Движение без груза: 𝐽 = 1,5 ∙ 0,0056 + 0,0009 = 0,0093 кгм2 . Установившееся значение скорости двигателя находим на каждом участке работы технологического процесса[3]: 𝑤𝑐 = 2 ∙ 𝑉0 ∙ 𝑗𝑝 , 𝐷 (49) При скорости 𝑉0 = 0,02 м/с: 𝑤𝑐 = 2 ∙ 0,02 рад ∙ 320 = 37 . 0,34 с При скорости 𝑉0 = 0,08м/с: 𝑤𝑐 = 2 ∙ 0,08 рад ∙ 320 = 146 . 0,34 с Рассчитаем динамический момент каждого участка работы [3]: 𝑀дин = 𝐽 ∙ 2 ∙ 𝑎доп ∙ 𝑗𝑝 , 𝐷 (50) Движение с грузом: 𝑀дин = 0,0174 ∙ 2 ∙ 0,2 ∙ 320 = 6,55 Нм. 0,34 Движение без груза: 𝑀дин = 0,0093 ∙ 2 ∙ 0,2 ∙ 320 = 3,5 Нм. 0,34 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 40 Для пуска и торможения электропривода находим пусковые 𝑀п и тормозные 𝑀т моменты, при которых учитывается допустимое ускорением [3]: 𝑀п = 𝑀с + 𝑀дин , (51) |𝑀т | = |𝑀дин | − 𝑀𝑐 , (52) Движение с грузом: 𝑀п = 7,94 + 6,55 = 14,49 Нм. |𝑀т | = |6,55| − 1,82 = 4,73 Нм. Проверка двигателя по нагреву и производительности 2.4 При использовании частотного преобразователя с задатчиком интенсивности средний момент двигателя 𝑀ср , приравнивается к моменту допустимому по ускорению [3]: Режим пуска - 𝑀ср = 𝑀п Режим торможения - 𝑀ср = 𝑀т Находим время переходных процессов [3]: 𝑤𝑐 𝑡𝑖 = 𝐽 ∙ , 𝑀ср − 𝑀𝑐 (53) Движение с грузом: - пуск 𝑡𝑖 = 0,0174 ∙ 37 = 0,098 с. 14,49 − 7,94 𝑡𝑖 = 0,0174 ∙ 47 = 0,221 с. 4,73 − 1,82 - тормоз Движение без груза: - пуск 𝑡𝑖 = 0,0093 ∙ 146 = 0,38 с. 8,14 − 4,64 - тормоз Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 41 𝑡𝑖 = 0,0093 ∙ 146 = 0,4 с. 3,44 − 0,06 За время переходного процесса определим угол поворота вала двигателя [3]: 𝑎𝑖 = 𝑤𝑐 ∙ 𝑡𝑖 , 2 (54) Движение с грузом: - пуск 𝑎𝑖 = 37 ∙ 0,098 = 1,81 рад. 2 𝑎𝑖 = 37 ∙ 0,221 = 4,09 рад. 2 - тормоз Движение без груза: - пуск 𝑎𝑖 = 146 ∙ 0,38 = 27,74 рад. 2 - тормоз 𝑎𝑖 = 146 ∙ 0,4 = 29,2 рад. 2 Угол поворота вала двигателя [3]: 𝑎= 2 ∙ 𝐿 ∙ 𝑗𝑝 , 𝐷 (55) где L – путь, пройдённый во время одного цикла. Движение с грузом: 𝑎= 2 ∙ 16 ∙ 320 = 30117 рад. 0,34 Движение с грузом на повышенной скорости: 𝑎= 2 ∙ 8 ∙ 320 = 15058 рад. 0,34 𝑎= 2 ∙ 16 ∙ 320 = 30117 рад. 0,34 Движение без груза: Рассчитаем время работы в установившимся режиме [3]: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 42 𝑡у = 𝑎 − (𝑎п + 𝑎т ) , 𝑤𝑐 (56) Движение с грузом: 30117 − (1,81 + 4,09) = 813 с. 37 Движение с грузом на повышенной скорости: 𝑡у = 𝑡у = 15058 − (1,81 + 4,09) = 103 с. 146 Движение без груза: 30117 − (27,74 + 29,2) = 205 с. 146 сравнения суммарного фактического 𝑡у = В результате времени работы электропривода в цикле 𝑡факт , с заданным значением времени работы 𝑡𝑝 производим проверку двигателя по производительности. Двигатель проходит проверку при соблюдении условия 𝑡факт < 𝑡𝑝 . 𝑡факт = 813 + 2(1,81 + 4,09) + 27,74 + 29,2 + 103 + 205 = 1189 с 1189 < 1600 Предварительная проверка двигателя по нагреву осуществляется сравнением среднеквадратичного момента с допускаемым моментом двигателя при его работе с фактической продолжительностью включения ПВфакт [3]. Продолжительность включения ПВфакт : ПВфакт = ПВфакт = ∑ 𝑡𝑖 ∙ 100% 𝑡ц (57) 1499 ∙ 100% = 93% 1600 Момент по каталожным данным [3]: 𝑀кат = 𝑀кат = 𝑃кат , 𝑤кат (58) 2200 = 15 Нм. 147 Момент двигателя, допускаемый по нагреву[3]: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 43 ПВкат 𝑀доп = 𝑀кат √ , ПВфакт (59) 80 𝑀доп = 15 ∙ √ = 13,91 Нм. 93 По результатам предварительного расчета определяем среднеквадратичный момент двигателя при фактическом графике нагрузки [3]: ∑𝑛𝑖=1 𝑀𝑖2 ∙ 𝑡𝑖 𝑀ср.кв = √ , ∑ 𝑡𝑖 (60) 14,492 ∙ 0,098 + 6,552 ∙ 1220 + 4,732 ∙ 0,22 + 8,142 ∙ 0,38 + 3,52 ∙ 205 + √ 𝑀ср.кв = 1499 +3,442 ∙ 0,4 √ = 6,09Нм. 1499 Электродвигатель проходит по критерию нагрева если соблюдаются условия: 𝑀ср.кв ≤ 𝑀доп . По результатам проверки двигателя рассчитываем элементы электропривода [3]. Метод эквивалентного момента даёт не точные значения для асинхронных двигателей. В следствии этого величину допустимого по нагреву момента 𝑀доп требуется уменьшить на 15. . . 20 %. 𝑀ср.кв ≤ 𝑀доп ∙ 0,8 6,09 ≤ 13,91 ∙ 0,8 6,09 ≤ 11,12 Следовательно, двигатель проходит по нагреву. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 44 Вывод по главе 2 В данной главе для электропривода проводится расчёт мощности электродвигателя и осуществляется его выбор. Из ходя из построенных временных и нагрузочных диаграмм находим метод среднеквадратичного момента выполняем предварительный расчёт мощности электродвигателя. На основании результатов расчетов мощности двигателя выбираем общепромышленный трехфазный асинхронный электродвигатель АИР90L4. Для согласования скоростей двигателя и рабочего органа выбираем редуктор, который соответствует характеристикам. Исходя выбранному из электродвигателю расчётного значения и требуемым передаточного числа, номинальной скорости двигателя выбираем червячный двухступенчатый моторредуктор. После выбора редуктора и электродвигателя приводим статические и динамические моменты к валу двигателя. Используя метод среднеквадратичного момента выполняем проверку двигателя по нагреву. Проверку двигателя по производительности заключается в сравнении суммарного фактического времени работы с заданным временем. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 45 3 ВЫБОР ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА СИСТЕМЫ ПЧ-АД 3.1 Выбор преобразователя Учитывая номинальные данные выбранного электродвигателя, выполняется выбор преобразователя частоты. При выборе частотного преобразователя должны соблюстись требования [3]: 𝑈нтп ≥ 𝑈н 𝐼нтп ≥ 𝐼н где 𝑈нпч , 𝐼нпч – номинальное линейное напряжение и ток нагрузки преобразователя частоты; 𝑈н , 𝐼н – номинальное линейное напряжение и фазный ток статора двигателя. Частотный преобразователь выбирается при учёте следующих параметров: - частоты сети; - диапазона частоты на выходе преобразователя; - диапазона скорости двигателя; - мощности двигателя; - нагрузок на валу двигателя; - реверса; - режимов работы двигателя. В электроприводе будем использовать двухзвенный преобразователь частоты с неуправляемым выпрямителем, с автономным инвертором, который преобразует напряжение питающей сети в напряжение постоянного тока, а затем в трехфазное напряжение регулируемой частоты (рисунок 3.1) [8]. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 46 Рисунок 3.1 – Двухзвенный преобразователь частоты с неуправляемым выпрямителем, с автономным инвертором Выбираем ПЧ фирмы «СИРИУС-С8-2.2/3,7-3Ф.380В» изображён на (см. рисунке 3.2). Общепромышленные векторные частотные преобразователи с повышенным пусковым моментом и повышенной перегрузочной способностью, подходящие для решения любой задачи по управлению электроприводом как в разомкнутых, так и в замкнутых по скорости электродвигателя системах [9]. Рисунок 3.2 – Преобразователь частоты фирмы «СИРИУС-С8-2.2/3,7-3Ф.380В» Данный частотный преобразователь поддерживает векторное управление. Благодаря этому подходит для решения большинства задач, где требуется Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 47 управлять скоростью и моментом на валу электродвигателя [9]. Основные характеристики выбранного ПЧ приведены в (таблице 3.1). Таблица 3.1 – Технические характеристики преобразователя частоты СИРИУСС8-2.2/3,7-3Ф.380В Показатели Номинальное напряжение Номинальная частота мощность ПЧ (общепромышленная нагрузка / насосы и вентиляторы) Номинальный выходной ток ПЧ (общепромышленная нагрузка / насосы и вентиляторы), Размерность В Гц кВт Значение 3 фазное напряжение 380 ±15% 50/60 ±5% 2,2/3,7 А 5,1/9 Частота Режимы управления ЭД Гц – 3000 Векторное управление без датчика скорости ЭД / Векторное управление с датчиком скорости ЭД / Скалярное U/f -управление Максимальная выходная частота ПЧ Гц Векторное управление: 0 ~ 300 / U/f -управление: 0 ~ 3000 Точность поддержания скорости ЭД % Точность поддержания момента Несущая частота ПЧ % кГц ± 0.5 (при векторном управлении без датчика скорости ЭД) / ± 0.02 (при векторном управлении с датчиком скорости ЭД) ± 5 (при векторном управлении с датчиком скорости ЭД) 0.5 ~ 16 Степень защиты (IP) – IP20 / IP21 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 48 Продолжение таблицы 3.1 Показатели Тормозной прерыватель Глубина регулирования скорости ЭД Размерность – – Значение Встроенный 1:100 (при векторном управлении без датчика скорости ЭД) / 1:1000 (при векторном управлении с датчиком скорости ЭД На (рисунке 3.3) изображена схема подключения преобразователя СИРИУС-С82.2/3,7-3Ф.380В [9]. Рисунок 3.3 – Схема подключения преобразователя СИРИУС-С8-2.2/3,7-3Ф.380В Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 49 3.2 Выбор фильтров, автоматических выключателей, тормозного резистора Использование сетевых моторных дросселей благоприятно влияет на питающую сеть, преобразователь частоты, двигатель. Защищают от аварийного отключения двигателя и частотного преобразователя от сети и короткого замыкания. Схема подключения защитной и коммутационной аппаратуры приведена на (рисунке 3.4) [8]. Рисунок 3.4 – Схема подключения защитной и коммутационной аппаратуры Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 50 Защитная аппаратура преобразователя частоты является автоматический выключатель, его выбор определяется номинальным входным током и перегрузочной способностью (1,5∙IН в течение 60 с). 𝐼𝑄𝐹 = 1,5 ∙ 𝐼нпч , (61) 𝐼𝑄𝐹 = 1,5 ∙ 9 = 13,5 А. Выбираем автоматический выключатель, Schneider Electric А0253 С60N 24350 (см. рисунок 3.5) [10]. Рисунок 3.5 – Автоматический выключатель, Schneider Electric А0253 С60N 24350 Параметры автоматического выключателя приведены в (таблице 3.2 ) [10] Таблица 3.2 – Параметры автоматического выключателя Schneider Electric А0253 С60N 24350 Наименование параметра Количество полюсов Номинальный ток Отключающая способность, Icu (380-400V AC) Характеристика Размерность – А кА - Значение 3 16 6 С Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 51 Для безопасного отключения электропривода и при возникновения аварийной остановки, используется сетевой контактор. Выбираем контактор EKF ПМЛ1160ДМ 18А 230В изображение которого приведено на (рисунке 3.6) [11]. Рисунок 3.6 – Сетевой контактор КМ1 Основные характеристики приведены в (таблице 3.3) [11]. Таблица 3.3 – Основные характеристики Сетевого контактора КМ1 Наименование параметра Номинальный ток Номинальная мощность Номинальное напряжение питания управления цепи Размерность А кВт В Значение 18 7,5 184 Выбор сетевого дросселя L1 зависит от мощности двигателя. Моторный дроссель защищает сеть от влияния преобразователя, снижает пики тока происходящие от скачка напряжения в сети. От отношения мощности короткого замыкания питающей сети к мощности привода зависит качество использования моторного дросселя. Отношения мощностей допускаете более 33:1, применяется 2…4%. Выбираем сетевой моторный дроссель типа ED3N-3,5/9,0 изображён на (рисунке 3.7) [12]. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 52 Рисунок 3.7 – Сетевой моторный дроссель типа ED3N-3,5/9,0 Основные характеристики выбронного дроселя приведены в (таблице 3.4) [12]. Таблица 3.4 Основные характеристики сетевого моторного дросселя типа ED3N-3,5/9,0 Наименование параметра Номинальное напряжение Частота первой гармоники Перегрузки Падение напряжения Размерность В Гц А В Значение 400 50 100%𝐼н 2%𝑈н Так как длина силового кабеля превышает 10 м требуется компенсировать ем косные токи, ограничить производную напряжения на обмотке статора на уровне du/dt 500 В/мкс. Для этого непосредственно около двигателя требуется подключать выходной дроссель L2 (рисунок 3.7). Дроссель также защищает обмотку от пробоя и ограничивает перенапряжения на клеммах двигателя. Выбираем дроссель типа ED3S-11,8/5,3 показан на (рисунке 3.8) [12]. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 53 Рисунок 3.8 – Выходные моторные дроссели типа ED3S-11,8/5,3 Характеристики выбранного дроселя приведены в (таблице 3.5) [12]. Таблица 3.5 – Характеристики выходного моторного дросселя типа ED3S-11,8/5,3 Наименование параметра Номинальное напряжение Частота первой гармоники Перегрузки Частота переключений Размерность В Гц А Гц Значение 400 50 100%𝐼н 4000 Радиочастотные фильтры (см. рисунок 3.9) применяются если вблизи используется оборудование с высокой чувствительностью к радиочастотных помехам излучаемые частотным преобразователем. Выбираем радиочастотные фильтры типа ФЭМС-2,23-3Ф380 который показан на (рисунке 3.9 ) [13]. Рисунок 3.9 – Радиочастотные фильтры типа ФЭМС-2,23-3Ф380 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 54 Основные характеристики фильтра высокой частоты приведенные в (таблице 3.6) [13]. Таблица 3.6 – Основные характеристики фильтра высокой частоты Наименование параметра Номинальный ток Мощность Токи утечки Учитывая мощность Размерность А кВт мА электродвигателя и Значение 10 2,2 <2 рекомендации производителя преобразователя частоты выполняем выбор тормозного резистора. Выбираем тормозной резистор типа ТР-250-2,2-0,25 изображён на (рисунке 3.10). Рисунок 3.10 – Тормозной резистор типа ТР-250-2,2-0,25 Основные хароктеристики тормозного резистора приведены в (таблице 3.7). Таблица 3.7 – Основные хароктеристики тормозных резисторов Наименование параметра Сопротивление Мощность ПЧ Мощность резистора Перегрузка Размерность Ом кВт кВт % Значение 250 2,20 0,25 125 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 55 3.2 Разработка и описание принципиальной схемы Принципиальная схема электропивода тележки (приложение А). Питания 380В подаётся на автоматический выключатель QF2. Моторный дроссель L1 защищает сеть от влияния преобразователя, который выробатывает выпримитель. Выходной дроссель L2 служит для ограничения перенапряжения. Управление скоростью асинхронного двигателя М1 реализуется преобразователем частоты UF, обратную связь по скорости обеспечивает энкодер BQ. Управление электроприводом выполнено на программируемом контроллере DA1 Siemens S7-1500. Питания управления подаётся на автоматический выключатель QF1, который защищает цепи блоков питания UZ1, UZ2. На выходе блоков питания установлены электролитические конденсаторы 100 мкФ. Процесса начала работы начинается при нажатии кнопки SB1, остановка кнопкой SB2. Пуск электродвигателя М1 происходит после срабатывания контактора КМ1, при тормозных режимах избыточная энергия сливается на тормозной резистор R1. Выводы по главе 3 В данной главе был выбран двухзвенный вектроный преобразователь частоты фирмы «СИРИУС-С8-2.2/3,7-3Ф.380В» мощностью 2,2 кВт. К выбранному преобразователю были выбраны входной и выходной дроссели ED3N-3,5/9,0 и ED3S-11,8/5,3. Исходя из номинальных входных токов и перегрузочной способности частотного преобразователя (1,5 IН в течение 60 с) сделан выбор защитной аппаратуры частотного преобразователя. Автоматического выключателя Schneider Electric А0253 С60N 24350 подключает к питающей сети и подаёт напряжение к преобразователю. В случаи аварийной остановки и безопасного отключения электропривода применяется сетевой контактор EKF ПМЛ-1160ДМ 18А 230В. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 56 В зависимости от мощности двигателя выбираем тормозной резисторов типа ТР-250-2,2-0,25. Выбранные сетевой дроссель типа ED3S-11,8/5,3 и ED3N-3,5/9,0 благоприятно влияет на питающую сеть, преобразователь частоты, двигатель. Защищают от аварийного отключения двигателя и частотного преобразователя от сети и короткого замыкания. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 57 4 РАССЧЁТ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИВОДА 4.1 Рассчёт статических характеристик электропривода Для выполнения технологических требований предъявляемые технологическим процессом выполним расчет статических характеристик По естественные характеристики можно характеризовать работу двигателя в механической системе: - кратковременные значения момента(тока) действующие на двигатель; - режимы работы двигателя и их переход. С помощью программного обеспечения Matlab построим естественную характеристику. Полученная характеристика приведена на (рисуноке 4.1). Рисунок 4.1 – Естественная характеристика электродвигателя Для построения характеристик в заданных точках для при движении тележки на всех участках работы технологического процесса, требуется выполнить расчет. Для участка 1 синхронная скорость в относительных единицах (о.е) [4]: 𝑤0зад = ̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅̅ 𝑤зад + ̅̅̅̅̅̅ Мзад ∙ 𝑠н , (62) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 58 𝑤0зад = 0,25 + 0,34 ∙ 0,06 = 0,27. ̅̅̅̅̅̅̅ Для участка 1 синхронная скорость [4]: 𝑤зад = ̅̅̅̅̅̅̅ 𝑤0зад ∙ 𝑤он , 𝑤зад = 0,29 ∙ 157 = 42,39 (63) рад . с Найдём требуемую частоту на участке 1 [4]: 𝑓1 = 𝑎 где 𝑎 – коэффициент учитывающий изменение частоты 𝑎= 𝑓1 = ̅̅̅̅̅̅̅ 𝑤0зад , 𝑓1н Следовательно 𝑓̅1 = 0,27 Тогда частота в абсолютных единицах будет равна: 𝑓1 = 0,27 ∙ 50 = 13,5 Гц. Напряжение на статоре для участка 1 [4]: 𝑈1 = 𝑎 ∙ 𝑈1н , (64) 𝑈1 = 0,27 ∙ 220 = 59,4 В. Для участка 2 синхронная скорость в о.е по формуле (62): 𝑤0зад = 0,8 + 0,34 ∙ 0,06 = 0,82. ̅̅̅̅̅̅̅ Для участка 2 синхронная скорость по формуле (63): рад 𝑤зад = 0,82 ∙ 157 = 131 . с Требуемую частоту на участке 2 равна [4]: 𝑓̅1 = 𝑎 = ̅̅̅̅̅̅̅ 𝑤0зад = 0,82 Тогда частота в абсолютных единицах будет равна: 𝑓1 = 0,84 ∙ 50 = 42 Гц. Напряжение на статоре для участка 2 по формуле (64): 𝑈1 = 0,84 ∙ 220 = 184,8 В. Для участка 3 синхронная скорость в о.е по формуле (62): 𝑤0зад = 0,8 + 0,16 ∙ 0,06 = 0,8. ̅̅̅̅̅̅̅ Для участка 3 синхронная скорость по формуле (63): Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 59 𝑤зад = 0,8 ∙ 157 = 125 рад . с Требуемую частоту на участке 3 равна [4]: 𝑓̅1 = 𝑎 = ̅̅̅̅̅̅̅ 𝑤0зад = 0,8 Тогда частота в абсолютных единицах будет равна: 𝑓1 = 0,83 ∙ 50 = 40 Гц. Напряжение на статоре для учаска1 по формуле (64): 𝑈1 = 0,84 ∙ 220 = 176 В. Результаты расчётов и требуемые параметры приведены в (таблице 4.1). Таблица 4.1 – Результаты расчётов и требуемые параметры Расчётные параметры 𝑤зад Мзад на валу Мс Скорость при движение Участок 1с грузом Рад/с о.е Нм о.е Нм о.е о.е Рад/с о.е 𝑓1 Гц о.е 𝑈1 В Полученные расчёты 𝑤0зад Участок 2 с грузом 37 146 0,25 0,8 4,67 4,67 0,34 0,34 7,94 7,94 0,56 0,56 Расчётные данные 0,27 42,39 0,27 13,5 0,27 59,4 и требуемые 0,82 128,74 0,82 41 0,82 180,4 параметры Участок 3 без груза 146 0.8 2,24 0,16 4,64 0.33 0,8 125 0,8 40 0,8 176 позволяют рассчитать искусственные механические ω(М) и электромеханические ω(I1н) характеристики электродвигателя и проверить их прохождение через заданные точки [4]. Для построения характеристик для каждого участка технологического процесса использовалось программное обеспечение Matlab. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 60 Характеристики на участке 1 приведены на (рисунке 4.2) Рисунок 4.2 – Характеристики на участке 1 Характеристика на участке 2 приведены на (рисунке 4.3) Рисунок 4.3 – Характеристика на участке 2 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 61 Характеристика на участке 3 приведены на (рисунке 4.4) Рисунок 4.4 – Характеристика на участке 3 На построенные механические характеристики видим, что характеристика проходит через требуемое значение заданной точки. Как видно из построения, каждая из механических характеристик прошла через свою заданную точку. 4.2 Расчёт переходных процессов электропривода Для нахождение переходных процессов используются дифференциальные уравнения. Дифференциальное уравнение механической части [6]: 𝑀 = 𝑀𝑐 + 𝐽 𝑑𝑤 , 𝑑𝑡 (65) Основное уравнение движение в о.е [6]: ̅ − ̅̅̅̅ 𝑀 𝑀𝑐 = 𝑇𝑑 𝑑𝑤 ̅ , 𝑑𝑡 (66) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 62 где 𝑇𝑑 – механическая постоянная времени электропривода [6]. 𝑇𝑑 = 𝑇𝑑 = 𝐽 ∙ 𝑤он , 𝑀н (67) 0,0174 ∙ 157 = 0,019 с. 14 Дифференциальное уравнение угла поворота [6]: 𝑑𝛼 =𝑤 , 𝑑𝑡 (68) Дифференциальное уравнение угла поворота в о.е [6]: 𝑇𝑎 𝑑𝑎̅ =𝑤 ̅. 𝑑𝑡 (69) где 𝑇𝑎 – постоянная времени угла поворота [6]. 𝑇𝑎 = 𝐿б , 𝑣б (70) где 𝐿б – заданный путь; 𝑣б – линейная скорость. Базовая постоянная задатчика интенсивности (ЗИ) определяется по формуле [6]: 𝑇зи = 𝑇д , ̅̅̅̅̅̅̅ Мдин (71) Тогда, 𝑇зи = 0,019 = 0,03 с. 0,46 На (рисунке 4.5) изображена структурная схема системы ПЧ–АД. В роли функционального звена представлен асинхронный двигатель, на входе которого амплитуда напряжения и частота. На выходе момент, скорость, токи ротора и статора [8]. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 63 Рисунок 4.5 – Структурная схема системы ПЧ–АД С помощью напряжения управления, регулируются синхронная скорость и выходная частота. В системе частотный преобразователь можно считать безынерционным пропорциональным звеном с коэффициентом усиления по частоте [8]: Куч = Напряжение преобразователем, на обмотке который 𝑓1 , 𝑈1 (72) статора формируется формирует управляющую функциональным характеристику - зависимость амплитуды выходного напряжения от частоты [8]: 𝑈1 = 𝜑(𝑓1 ) , (73) Регулирование скорости в системе ПЧ-АД выполняется по закону[8] : 𝑈1 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 𝑓1 Задатчик интенсивности (ЗИ) представляет из себя пропорциональноинтегральное звено. Пропорциональный канал ЗИ при пуске двигателя выполняет подачу напряжения и синхронной скорости скачком , потом благодаря интегральному каналу происходит линейное нарастание синхронной скорости и напряжения. После того как интегральный канал достигает требуемого значения скорости он отключается и скорость устанавливается заданное значение. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 64 В процессе торможении в первую очередь скачком снижается скорость, потом уменьшение скорости и напряжения происходит по линейному закону до их минимальных значений, удовлетворяющей минимальной частоте ПЧ 𝑓1мин . Дальнейший процесс торможения происходит по характеристике с частотой 𝑓1мин . Нагрузочные диаграммы пуска и торможения двигателя в системе ПЧ – АД выполнены с помощью программного обеспечения Matlab (рисунок 4.6). Рисунок 4.6 – Нагрузочные диаграммы пуска и торможения двигателя в системе ПЧ –АД 4.3 Интегральные показатели переходных процессов 4.3.1 Проверка на перегрузочную способность На нагрузочной диаграмме (см. рисунок 4.6) отмечены максимальные значения тока и момент двигателя. Сравним эти значения с характеристиками выбранного двигателя и преобразователя. Для проверки двигателя на перегрузочную способность должны выполнятся условия, чтобы максимальный ток нагрузочной диаграммы был ниже предельно допустимого тока двигателя по условиям коммутации[3]: Проверка преобразователя: 𝐼𝑚𝑎𝑥 = 1,8 ∙ 1,7 = 3,06 𝐴 < 𝐼н.п = 5.1 𝐴 Время работы в установившемся режиме определяют по соотношению [3]: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 65 𝑡у = ∑ 𝑎 − (𝑎п + 𝑎т ) , 𝑤𝑐 (74) где 𝑎п – интегральные показатели во время пуска; 𝑎т – интегральные показатели во время торможения. Показатели 𝑎п = 46,52 рад 𝑎𝑡 = −24,45 рад взяты из результатов переходных процессов. Угловой путь, проходимый валом двигателя на участке движения[3] ∑ 𝑎 = 𝑖пер ∙ 2∙𝐿 , 𝐷 (75) Для определения фактического времени работы электропривода в цикле производится расчет времени переходных процессов на всех участках движения и расчет времени установившегося движения в течение цикла работы. Фактическое время работы электропривода на участке движения [3]: 𝑡рфакт = 𝑡𝑘 + 𝑡𝑡 + 𝑡у , (76) Движение с грузом: ∑ 𝑎 = 312 ∙ 𝑡у1 = 2 ∙ 16 = 29364 рад. 0,34 29364 − (46,25 + 24,25) = 719 с. 37 𝑡𝑝факт1 = 1,5 + 0,5 + 719 = 821 с. Движение с грузом на повышенной скорости: ∑ 𝑎 = 312 ∙ 𝑡у2 = 2∙8 = 15058 рад. 0,34 16058 − (46,25 + 24,25) = 103 с. 146 𝑡𝑝факт2 = 1,5 + 0,5 + 103 = 105 с. Движение без груза: ∑ 𝑎 = 312 ∙ 𝑡у2 = 2 ∙ 16 = 29364 рад. 0,34 29364 − (46,25 + 24,25) = 205 с. 146 𝑡𝑝факт3 = 1,5 + 0,5 + 205 = 207 с. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 66 Фактическое время работы электропривода в цикле [3]: 𝑡𝑝факт.ц = ∑ 𝑡𝑝факт. 𝑖 , (77) 𝑡𝑝факт.ц = 821 + 105 + 207 = 1133 с. Сравнивая суммарное фактическое временя работы электропривода в цикле 𝑡факт с заданным значением времени работы 𝑡𝑝 проверяем двигатель по производительности. Для проверки двигателя по производительности должно быть выполнено условие: 𝑡𝑝факт.ц ≤ 𝑡𝑝 1133 ≤ 1189 4.3.2 Проверка двигателя по нагреву Используя метод эквивалентного тока проверяем выбранный двигатель по нагреву[3]: ∑𝑛𝑖=1 𝐼𝑖2 ∙ ∆𝑡𝑖 √ 𝐼э = ≤ 𝐼доп , ∑𝑛𝑖=1 𝛽1 ∙ ∆𝑡𝑖 (78) где 𝐼𝑖 – среднеквадратичное значение тока; ∆𝑡𝑖 –время участка работы; 𝛽1 – температурный коэффициент двигателя; 𝐼доп – допустимый ток. Интегральный показатель тока взят с результатов переходных процессов (см. рисунок 5.1): – за время пуска 𝐼𝑘𝑣 = 3,627 𝐴; – за время тормоза 𝐼𝑘𝑣 = 4,98 𝐴; – установившийся режим 𝐼1у = 1,76 𝐴. Коэффициент ухудшения теплоотдачи для двигателя с конструкцией, закрытый с самовентиляцией 𝛽1 = 0,45 … 0,55 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 67 3,6272 ∙ 1,5 + 4,932 ∙ 0,5 + 1,76 ∙ 719 √ 𝐼э = = 2.38 А. 0,55 ∙ 1,5 + 0,55 ∙ 0,5 + 0,55 ∙ 719 Время паузы в формулу не включается. Допустимый по нагреву ток двигателя определяется через каталожный ток Iкат при каталожной ПВкат , ближайшей к фактической Для проверки двигателя по нагреву сравниваем эквивалентный ток Iэ с допустимым током Iдоп Допустимый по нагреву ток [3]: 𝐼доп = 𝐼кат ∙ √ ПВкат , ПВфакт (79) где 𝐼кат = 5,09 А; ПВкат = 80%; Эквивалентный ток двигателя, предназначенный для повторного кратко временного режима работы, определяется только за время работы, полученные из интегральных показателей расчета нагрузочных диаграмм [3] ПВфакт = ПВфакт = 𝑡𝑝факт ∙ 100%, 𝑡ц (80) 1133 ∙ 100% = 70,8%. 1600 80 𝐼доп = 5,09 ∙ √ = 5,4 . 70,8 𝐼э ≤ 𝐼доп ∙ 0,9 2,38 А ≤ 4,8 А Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 68 4.3.3 Проверка преобразователя по нагреву С помощью среднеквадратичного тока двигателя за время работы проверяем преобразователя по критерию нагрева [3]: 𝑛 1 𝐼ср.кв = √ ∙ ∑ 𝐼𝑖2 ∙ ∆𝑡𝑖 ≤ 𝐼н.пр , 𝑡𝑝 (81) 𝑖=1 1 𝐼ср.кв = √ ∙ (3,672 ∙ 1,5 + 0,72 ∙ 0,5 + 1,762 ∙ 719) = 1,8 А. 1600 Номинальный ток преобразователя: 𝐼н.пр = 9 А. 𝐼ср.кв ≤ 𝐼н.пр 1,8 А ≤ 9А Вывод по главе 4 В данной главе построены естественная и искусственные механические и электромеханические характеристики. Построены характеристики для каждого участка технологического процесса. Для построения характеристик использовалось программное обеспечение Matlab. В построении статических характеристик через заданные точки использовался метод регулирования 𝑈⁄𝑓 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡. Полученные характеристики проходят через требуемые координаты. Были построены переходные процессы электропривода телеги сварочного стана по требуемым нагрузочным диаграммам скорости и момента и рассчитаны интегральные показатели заданного цикла работы. Далее проведена проверка на перегрузочную способность, производительность, нагрев электродвигателя и нагрев преобразователя частоты. Все перечисленные критерии выполнены успешно. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 69 Двигатель проходит проверку на перегрузочную способность, если максимальный ток нагрузочной диаграммы меньше предельно допустимого тока двигателя по условиям коммутации. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 70 5 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТЕЛЕГИ СВАРОЧНОГО СТАНА В ПРОГРАММНОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ MATLAB+SIMULINK 5.3 Модель электропривода в Matlab + Simulink С помощью программного обеспечения Matlab + Simulink смоделируем выбранный электропривод тележки сварочного стана и проведем проверку работоспособности основных элементов электропривода. Данная проверка необходима для того, чтобы снять переходные процессы, динамические и статические характеристики, убедится в правильности выбранного оборудования системы ПЧ–АД и сравнить с характеристиками, снятыми с оборудования. Модель электропривода приведена в Matlab + Simulink и изображена на (рисунке 5.1) Рисунок 5.1 – Модель электропривода приведена в Matlab + Simulink 1 блок – Трёхфазный источник питания; - трехфазная сеть с частотой 50 Гц и фазным напряжением 220–240 В. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 71 2 блок – Трёхфазный реактор; 3 блок –Трёхфазный неуправляемый выпрямитель; - неуправляемый трехфазный мостовой с емкостным фильтром на выходе и трехфазным реактором на входе. 4 блок – Автономный инвертор напряжения; - трехфазный автономный инвертор напряжения с пространственно-векторной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). 5 блок – Асинхронный электродвигатель. 5.2 Настройка системы управления в Matlab + Simulink Чтобы смоделировать выбранный электропривод и снять динамические характеристики, требуется сделать настройку системы управления, выполнить регулировку контуров и её регуляторов. На (рисунке 5.2) изображена функциональная схема системы регулирования скорости асинхронного двигателя с управлением по вектору потокосцепления ротора. Рисунок 5.2 – Функциональная схема системы регулирования скорости асинхронного двигателя с управлением по вектору потокосцепления ротора Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 72 Это же система приведена в смоделирована в программном обеспечение Matlab + Simulink (рисунок 5.3). Рисунок 5.3 – Модель системы регулирования скорости в Matlab + Simulink регулятор 1 – контура регулирования – потокосцепления ротора 𝜓2𝑥 ; регулятор 2 – контура регулирования - угловой скорости w двигателя; регулятор 3 – внутренних контура регулирования составляющих тока статора 𝐼1𝑥 ; регулятор 4 – им внутренних контура регулирования составляющих тока статора 𝐼1𝑦 . Система имеет: – два внешних контура регулирования – потокосцепления ротора 𝜓2𝑥 (регулятор 1) и угловой скорости w двигателя; – два подчиненным им внутренних контура регулирования составляющих тока статора 𝐼1𝑥 и 𝐼1𝑦 в осях xy ортогональной системы координат, вращающейся с синхронной скоростью 𝑤0.эл поля двигателя. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 73 Для настройки регуляторов и всей системы управления требуются рассчитать дополнительные параметры электродвигателя. 5.2.1 Расчёт дополнительных параметров электродвигателя для настройки модели. Активное сопротивление обмотки статора: | Uнф R1 = R1 R1 = 0,0396 ∙ I1н , (82) 220 = 1.7 Ом. 5.1 Индуктивность, рассеяние обмотки статора: | х1 Uнф L1l = , 2π ∙ fн I1н (83) 3.51 220 ∙ = 0,00541 мГн. 2 ∙ 3.14 ∙ 50 5.2 Приведённые к обмотке статора активное сопротивление обмотки ротора: L1l = || R 2 ∙ Uнф | R2 = , I1н (84) 2,99 ∙ 220 = 1,28 Ом. 5,1 | R2 = Приведённое к обмотке статора индуктивность рассеяния обмотки ротора: || x2 Uнф | L2l = 2πfн I1н | L2l = , (85) 4,75 220 ∙ = 0,006 мГн. 2 ∙ 3,14 ∙ 50 5,1 Индуктивность цепи намагничивания: Lm = Lm = xм Uнф , 2πfн I1н (86) 143 220 ∙ = 0,196 Гн. 2 ∙ 3,14 ∙ 50 5,1 Коэффициент вязкого трения: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 74 F= F= ∆Pмех , wн2 (87) 66 = 0,003. 1472 Механические потери в двигателе: ∆Pмех = (0,01 … 0,05) ∙ Pн , (88) ∆Pмех = 0,03 ∙ 2200 = 66 Вт. Суммарный момент инерции двигателя и исполнительного механизма: JΣ = 2Jдв = 2 ∙ 0,0056 = 0,0112 кг ∙ м2 . Механическая постоянная времени двигателя с учётом механизма: wон Тд = JΣ , Мн Тд = 0,0112 ∙ (89) 157 = 0,114 с. 15,41 Полные индуктивности обмотки статора: L1 = L1l + Lm , (90) L1 = 0,48 + 0,31 = 0,201 Гн. Полные индуктивности обмотки ротора: | | L2 = L2l + Lm , (91) | L2 = 0,65 + 0,31 = 0,202 Гн. Эквивалентная индуктивность цепи статора: (92) L1э = σ ∙ L1 , L1э = 0.053 ∙ 0.201 = 0.011 Гн. Коэффициент рассеяния магнитного поля АД: σ=1− L2m | L1 ∙ L2 , (93) 0.1962 σ=1− = 0,053. 0.201 ∙ 0.202 Эквивалентное активное сопротивление цепи статора: | R1э = R1 + K 22 ∙ R 2 , (94) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 75 R1э = 1.7 + 0.972 ∙ 1.28 = 2,9 Ом. Индуктивное сопротивление цепи намагничивания двигателя: xm = 2πl ∙ Lm , (95) xm = 2 ∙ 3,14 ∙ 50 ∙ 0,196 = 61,544. Индуктивное сопротивление рассеяния ротора, приведённое к цепи ротора: | | x2l = 2πl ∙ L2l , (96) | x2l = 2 ∙ 3,14 ∙ 50 ∙ 0,006 = 1,884. Электрическая угловая частота тока статора в номинальном режиме: wо.эл = 2πl, (97) рад . с Электрическая угловая частота тока ротора в номинальном режиме: wо.эл = 2 ∙ 3,14 ∙ 50 = 314 w2н.эл = wо.эл − р ∙ wн , w2н.эл = 314 − 2 ∙ 147 = 20 (98) рад . с 5.2.2 Настройка внутреннего контура тока статора по оси х Контур тока требуется настроить на предельное максимальное быстродействие и отсутствие перерегулирования. Сначала настраиваем И- канал, потом П-канал. Структурная схема контура тока статора по оси х показана на (рисунке 5.4) Рисунок 5.4 – Структурная схема контура тока статора по оси х Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 76 Рассчитаем нужные коэффициенты и значения, которые вводим в модель Matlab + Simulink. K пч = Uфm.max Udн 510 = = = 58,88. Uупр.max √3 ∙ Uупр.max √3 ∙ 5 (99) где Uфm.max – максимальная амплитуда фазного напряжения на выходе ПЧ; Uупр.max – максимальное значение напряжения управления на выходе ПЧ соответствующее Uфm.max ; Udн =510…520 – номинальное напряжение в звене постоянного тока ПЧ. Коэффициент цепи обратной связи ДТ: Tкрт.х = T1х ∙ R1э , K пч ∙ K дп (100) Согласно правилу технического оптимума: ∞ Tкрп.х = (2 … 4) ∙ ∑ Ti = (2 … 4) ∙ ℱпч , (101) i=1 Tкрп.х = (2 … 4) ∙ 0,1 ∙ 10−3 = (0,4 … 0,8)мс. Постоянная времени И – канала регулятора тока по оси x (РТХ) с учётом: T1.ртх = Tкрт.х ∙ K пч ∙ K дп , R19 (102) (0.4 … 0.8) ∙ 10−3 ∙ 50.00 ∙ 0.438 T1.ртх = = (0.005 … 0.021)мс. 0.97 Коэффициент П – канала PTX: K п.ртх = T2.ртх , T3.ртх (103) 3,79 ∙ 10−3 K п.ртх = = 0,758 … 0,18. 0,005 … 0,02 Коэффициент И - канала PTX: K i.ртх = K i.ртх = 1 T1.ртх , (103) 1 = 200 … 50. 0,005 … 0,02 Выбираем оптимальные значения коэффициентов и водим в модель. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 77 Коэффициент электромагнитной связи ротора: K2 = K2 = Lm | L2 , (105) 0,196 = 0,97. 0,202 Электромагнитная постоянная времени статорной цепи: T1э = L1э , R1э (106) 0.011 = 3.79 мс. 2.9 T1э = Частота ШИМ инвертора в ПЧ: fшим = fшим = Udн , 12 ∙ L1э ∙ ∆I1max (107) 510 = 5300 Гц . 12 ∙ 0,01 ∙ (7,2 ∙ 0,1) где ∆I1max = (0,05 … 0.1) ∙ I1m.н = (0,05 … 0.1) ∙ √2 ∙ I1н ; ∆I1max = 0.1 ∙ √2 ∙ 5.1 = 0.72 – максимальная амплитуда пульсаций тока статора. Постоянная времени чистого запаздывания ПЧ: τпч = τпч = 1 fшим , (108) 1 = 0.1 мс. 5 ∙ 10−3 Выбираем постоянную времени регулятора тока (РТ) T2.ртх : T2.ртх = T1э = 3.79 мс. Введем расчётную постоянную времени контур регулятора тока (КРТ) по оси х в разомкнутой структуре. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 78 Рисунок 5.5 – расчётную постоянную времени КРП по оси х в разомкнутой структуре Tкрт.х = T1х ∙ R1э , K пч ∙ K дп (109) Согласно правилу технического оптимума: ∞ Tкрп.х = (2 … 4) ∙ ∑ Ti = (2 … 4) ∙ ℱпч , (110) i=1 Tкрп.х = (2 … 4) ∙ 0,1 ∙ 10−3 = (0,4 … 0,8)мс Постоянная времени И – канала РТХ: T1.ртх = Tкрт.х ∙ K пч ∙ K дп , R19 (111) (0.4 … 0.8) ∙ 10−3 ∙ 50.00 ∙ 0.438 T1.ртх = = (0.005 … 0.021)мс. 0.97 Переходный процесс регулятора внутреннего контура тока статора по оси х представлен на (рисунке 5.6) Рисунок 5.6 – Переходные характеристики при оптимальном значении Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 79 Мы видим монотонный переходный процесс, изменяющийся по экспоненте. Здесь показано: - на вход регулятора тока мы подали сигнал задания I х = 5 В, - пульсирующая составляющаяся которая берется от частоты шин (fшим ). Инвертор переключается на нагрузки импульсное напряжение формируется за счёт этого ток становится не идеально сглаженным, естественно появляются пульсации в токе. 5.2.3 Настройка контура потокосцепления ротора Замкнутый внутренний контур тока по оси х может быть представлен передаточной функцией: wкрт.х (р) = 1 1 1 1 ∙ 2 ≈ ∙ K дт Tкрт.хр + Tкрт.хр + 1 K дт Tкрт.хр + 1 (112) Структурная схема контура потокосцепления ротора приведена на (рисунке 5.7) Рисунок 5.7 – Структурная схема контура потокосцепления ротора Рассчитаем нужные коэффициенты и значения, которые вводим в модель Matlab + Simulink. Коэффициент датчика потока (ДП): Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 80 K дп = K дт = 0,438 В т.к вычисление потока ψ∗2x в наблюдателе при помощи сигналов тока статора с выхода ДП. Электромагнитная постоянная времени цепи ротора: | T2 = T2 = L2 | R2 , (113) 0,202 = 0,157 с. 1,28 Коэффициент П – канала регулятора потока (РП): K i.pп = K i.pп = T2.рп , T1.рп (114) 0,157 = 744 … 365. (0,211 … 0,43) ∙ 10−3 Коэффициент И – канала РП: K i.pп = K i.pп = 1 T3.рп (115) , 1 = 4739 … 2375. (0,211 … 0,43) ∙ 10−3 Выбираем оптимальное значение коэффициентов РП и водим в модель. Рассчитаем сигналы задания потокосцепления ротора. Для этого найдём амплитудное значение тока статора в номинальном режиме по оси х I3xm.н : I3xm.н = I3xm.н = √2 ∙ I1н , (116) w2н.эл 2 | 2 ) √1 + (xm + x2l ) ∙ ( | R 2 ∙ wо.эл √2 ∙ 5,1 20 √1 + (61,54 + 1,884)2 ∙ ( )2 1,28 ∙ 314 = 2,17 А. Номинальное значение потокосцепления ротора по оси х ψ∗2x.н = I1xm.н ∙ Lm , (117) ψ∗2x.н = 2,17 ∙ 0,196 = 0,425 Вб. Сигнал задания потокосцепления ротора по оси х: ψ∗2x.зад = ψ∗2x.н ∙ K дп , (118) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 81 ψ∗2x.зад = 2,17 ∙ 0,411 = 0,175 В. Время достижения номинального значения потока: T2 , K пх (119) I3xm.н , 𝐼н (120) t пп.н = где K пх – коэффициент перегрузки. K пх = K пх = 2,17 = 6,64. 5,1 Следовательно, t пп.н = 0,157 = 0,02 с. 6,64 Качество переходного процесса определяется по времени переходного процесса t пп.н . Результат настройки переходного процесса Настройка П-канала в контуре регулирования потока (рисунок 5.8). Рисунок 5.8 – Настройка П-канала в контуре регулирования потока На вход подали сигнал задание, в результате мы наблюдаем реакцию потока на данное воздействие. Переходный процесс происходит без перерегулирования и его Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 82 время нарастания соответствует расчётным значениям. По мере истечения времени переходный процесс устанавливается в заданное значение. Правильность настройки определяем тем, что контролируем контур тока по оси х он не должен выходит в состояние насыщения (рисунок 5.9). Рисунок 5.9 – Контур тока составляющая по оси х Сигнал задания с выходом регулятором потока (черная) Реальное значение тока статора по оси х (розовая) На (рисунке 5.9) ведем, что сигнал задания подобран правильно и у нас составляющая тока по оси х расчетное не достигает значения 10В, которая соответствует двукратному назначению амплитуде статарного тока в номинальном режиме работы. Далее настраиваем И-канала в контуре регулирования потока (рисунок 5.10). Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 83 Рисунок 5.10 – Настройка И-канала в контуре регулирования потока Вводим коэффициент интегральный канал и снимаем переходный процесс, в результате качество переходного процесса практически не изменилось, система ведёт себя без перерегулирования. 5.2.4 Настройку регулятора потока в «большом» Для этого на вход РП подать номинальное значение потокосцепления ротора по оси х ψ∗2x.зад . Убедимся по переходному процессу, что статическая ошибка регулирования в контуре потока отсутствует из-за наличия И-канала в регуляторе потока. Водим требуемые значения в модель и снимаем переходный процесс. Запускаем регулятор скорости подавая сигнал задания и под действием этого напряжения мы смотрим реакцию системы, как скорости будет изменяться в процессе запуска двигателя. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 84 Рисунок 5.11 – Проверить настройку регулятора потока в «большом». Получается монотонный процесс в установившемся режиме. Из (рисунок 5.11) видно, что сигнал задания соответствует интегральному каналу. Настройку завершаем проверкой тока статора (рисунок 5.12). Рисунок 5.12 – Ток статора Подается сигнал задание на контур потока и под действием двукратного значения тока статора по оси х, поток постепенно начинает нарастать до установившегося номинального значения. Основная инерционность роторной цепи, эта инерционность соизмерима с инерционностью обмотки возбуждения двигателя постоянного тока поэтому процесс происходит медленно. На время Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 85 переходного процесса будет оказывать величина тока статора, в данном случаи величина тока статора при достижении номинального потока мы ограничиваем значением 10В. Сигнал задания у контуров потока совпадает с обратной связью или с реальным значением тока статора по оси х. 5.2.5 Настройка контура регулирования скорости Структурная схема контура регулирования скорости (КРС) приведена на (рисунке 5.13). Рисунок 5.13 – Структурная схема контура регулирования скорости Рассчитаем нужные коэффициенты и значения, которые вводим в модель Matlab + Simulink. Расчёт параметров КРС с П - регулятором скорости wрс (р) = Кп.рс Введём расчётную постоянную времени КРС в разомкнутой структуре Tкрс = Jε ∙ K дп ∙ ψ2х ∙ Кдт ∙ 2 Кп.рс ∙ 3 ∙ р ∙ К2 ∙ ψ2х ∙ Кдс (121) Коэффициент цепи обратной связи ДС: Кдс = Uдс.н , wон (122) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 86 Согласно правилу технического оптимума ∞ Tкрс = (2 … 4) ∙ ∑ Ti = (2 … 4) ∙ Tкрту = (2 … 4) (123) i=1 Tкрс = (2 … 4) ∙ 0,56 ∙ 10−3 = (1,12 … 2,24) Коэффициент усиления П – канала РС и выполняется с учетом равенства K дп = Кдт 2 ∙ Jε ∙ K 2дт Кп.рс = , 3 ∙ Tкрс ∙ р ∙ K 2 ∙ K дс (124) 2 ∙ 0,0112 ∙ 0,4382 Кп.рс = = (21 … 10). 3 ∙ (1,12 … 2,24) ∙ 10−3 ∙ 2 ∙ 0,97 ∙ 0,0318 Выбираем оптимальные значения коэффициента значение П – канала РС из условия перерегулирования и максимального быстродействия и водим в модель. Расчёт установки максимального момента в регуляторе скорости: ∗ Mmax = Mmax ∙ ∗ Mmax = 30,82 K 2дт , 1,5 ∙ р ∙ К2 (125) 0,438 = 4,64 Нм. 1,5 ∙ 2 ∙ 0,97 Здесь Mmax = 2 ∙ Mн (126) Mmax = 2 ∙ 15,49 = 30,82 Нм Качество настройки наблюдаем переходный процесс с регулятора скорости (см. рисунок 5.14). Рисунок 5.14 – Настройка регулятора скорости Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 87 Запускаем регулятор скорости подавая скачок сигнала задания и под действием этого напряжения мы смотрим реакцию системы, как скорость будет изменяться в процессе запуска двигателя. Правильность настройки системы оцениваем по времени переходного процессов системы. Процесс иметь монотонный, экспоненциальный характер без какого-либо перерегулирования в системе (см. рисунок 5.14). Здесь также видим, что переходный процесс регулятора скорости не входил в насыщение этот фактор мы проверяем, снимая сигнал на входе регулятора тока по оси х и сигнал с выхода регулятора скорости (величина заданного момента) (см. рисунок 5.15). Рисунок 5.15 – Сигнал задания с выходом на входе у регулятора тока по оси у два сигнала При этом проверяем, чтобы значение тока статора на оси у не достигает значения 10В, что будет соответствовать двукратному значению статорного тока по оси у. Момент также не превышает установленных значений. (рисунок 5.17). 5.3 Динамические характеристики, переходные процессы при разгоне и торможения электродвигателя Характеристики будем снимать при рабочей скорости технологического процесса 43 рад/с. После завершения настройки всех регуляторов снимаем динамические характеристики (рисунок 5.17). Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 88 Рисунок 5.17 – Динамические характеристики при разгоне и торможения электродвигателя 1 диаграмма – статорное напряжение на статоре, в фазах А; 2 диаграмма – статорные токи; 3 диаграмма – скорость двигателя; 4 диаграмма – электромагнитные и статические моменты на валу двигателя. Через 3сотых секунды двигатель у нас стоит на месте статорные токи имеют постоянное значение и под действием этого постоянного значения в двигателе создается номинальный поток это мы можем наблюдать по статорному напряжению, которое в начале «шумуется» и оно имеет постоянное значение, токи в этот период времени также имеют постоянное значение. Номинальный поток достиг своего значения, а величины статорных токов уменьшились до величины тока намагничивания. Характер нагрузки реактивный и нарастания скорости происходит, когда электромагнитный момент двигателя станет больше статического. Разгон двигателя происходит за время задатчика интенсивности машины, после того как скорость достигает установившегося Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 89 значения рабочей скорости 43 рад/с. электромагнитны момент становится равен статическому моменту двигатель. После идёт команда на торможение и реверс двигателя. Начинается торможение двигателя с постоянным динамическим моментом равным номинальному электромагнитному моменту двигателя, только с противоположным знаком поэтому привод начинает останавливается. Сравним переходные процессы пуска и торможения, полученные из модели в Matlab + Simulink (рисунок 5.17) с переходными процессами снятые с реального оборудования пуска (рисунок 5.18) и торможения (рисунок 5.19). Рисунок 5.18 – Осциллограмма переходного процесса пуска, снятая с опытного образца Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 90 Рисунок 5.19 – Осциллограмма переходного процесса торможения, снятая с опытного образца Из характеристик видим, что процессы, проходящие при пуске и торможение идентичны описываема процессов в модели выше. Также значения моментов и токов совпадают с моделью. Следовательно, удовлетворяют технологическому процессу. Можно сделать вывод, что выбор электрооборудования электропривода сделан правильно выбранному и подходит для данного технологического процесса. Выводы по главе 5 С помощью программного обеспечения Matlab + Simulink смоделировали выбранный электропривод тележки сварочного стана и провели проверку работоспособности основных элементов электропривода. Выполнили настройку системы управления - контура регулирования – потокосцепления ротора 𝜓2𝑥 ; - контура регулирования - угловой скорости w двигателя; - внутренних контура регулирования составляющих тока статора 𝐼1𝑥 ; - им внутренних контура регулирования составляющих тока статора 𝐼1𝑦 . Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 91 В результате настройки системы управления, были сняты динамические характеристики при разгоне и торможении электродвигателя. Для проверки работоспособности выбранного электропривода сравнили полученные характеристики с переходными характеристиками, снятыми с действующего оборудования. В результате проверки мы убедились, что выбранный электропривод был выбран правильно. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 92 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе данной работы произведен расчёт системы электропривода тележки стана наружной сварки прямошевных труб на участке сварки труб «2020-2520» ТЭСЦ №6 ОА «ЧТПЗ». Был проанализирован технологический процесс и выдвинуты основные требования к исполнительному механизму. Сделан выбор и расчёт электродвигателя и редуктора, выполнена предварительная проверка двигателя по нагреву и производительности. Произведен выбор основных элементов электропривода системы ПЧ-АД. С помощью, рассчитаны статические характеристики и переходных процессов. С помощью интегральных показателей, рассчитанных в программном обеспечении Matlab проверяется двигатель и преобразователь частоты по нагреву, производительности и перегрузочной способности. Для проверки работоспособности системы электропривода тележки стана наружной сварки и выбранного к нему оборудования, в программном обеспечении Matlab+Simulink произведена моделирование данного электропривода. Сделана настройка системы управления, сняты динамические характеристики при разгоне и торможения электропривода. В заключении был сделано сравнение характеристик получены из модели Matlab+Simulink и характеристик снятые с действующего оборудования. В результате сделан вывод, что рассчитанный электропривод полностью удовлетворяет требованиям, которые предъявляются к технологическому процессу телеги стана наружной сварки. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 93 БИБЛИГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1 Попов, С.А. ТМК освоила производство труб диаметром 2520 мм на ЧТПЗ / С.А. Попов – https://chtpz.tmk-group.ru/chtpz_capacity (дата обращения: 23.02.2023). 2 Ефименко, Л.А. Традиционные и перспективные стали для строительства магистральных газонефтепроводов / О.Ю. Елагина – М.: Лотос, 2011. – 316 с. 3 Драчев, Г.И. Теория электропривода: Учебное пособие к курсовому проектированию для студентов заочного обучения спец. 180400. 2-е издание, дополненное. / Г.И. Драчев – Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2002. – 137 с. 4 Драчев, Г.И. Теория электропривода. Примеры расчетов: Учебное пособие. / М.А. Григорьев, – Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2012. – 404 с. 5 Колодич, В.В. Общепромышленные трехфазные асинхронные электродвигатели АИР90L4 / В.В. Колодич – https://nasoselprom.ru/ (дата обращения: 21.02.2023). 6 Драчев, Г.И. Теория электропривода: Учебное пособие. / Г.И. Драчев – Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2005, Ч1 – 208 с. 7 Житлухина, Л.А. Мотор-редукторы червячные двухступенчатые универсальные МЧ280/160 / Л. А. Житлухина – https://zavod-reduktor.ru (дата обращения: 10.02.2023). 8 Драчев, Г.И. Теория электропривода: Учебное пособие. / Г.И. Драчев – Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2006, Ч2 – 198 с. 9 Домейн, Д.Ю. Преобразователи частоты и устройства плавного пуска СИРИУС / Д.Ю. Домейн. – https://sirius-em.ru (дата обращения: 23.03.2023). 10 Чиняев, А.И. С60N 24350 А0253 Schneider Electric Автоматический выключатель / А.И. Чиняев – https://tek-el.ru/official (дата обращения: 14.04.2023). 11 Коледюк, В.Л. электромагнитный, 18А, Пускатель 230В EKF Basic pml-s-18-230-basic серии / В.Л. ПМЛ-1160ДМ, Коледюк – https://www.vseinstrumenti.ru (дата обращения: 21.03.2023). 12 Усынин, Ю.С. Системы управления электропривода: Учебное пособие / Ю.С. Усынин. – Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2001 – 357 с. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 94 13 Домейн, Д.Ю. Опциональное оборудование для частотных преобразователей / Д.Ю. Домейн http://rus-privod.ru (дата обращения: 11.02.2023). Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.01ПЗ 95 ПРИЛОЖЕНИЕ А Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ -13.03.02.2023.051.02ПЗ 96
