Дипломная (вкр): Исследование элекропривода шнекового питателя сырого угля

Исследование элекропривода шнекового питателя сырого угля

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

"Национальный исследовательский Томский политехнический университет"

Энергетический институт Томского политехнического университета

Направление 140600 -"Электротехника, электроэнергетика и электротехнологии"

Кафедра - Электропривод и электрооборудование

Выпускная квалификационная работа

(на соискание степени бакалавр)

Исследование элекропривода шнекового питателя сырого угля

Томск - 2013

Задание на выполнение выпускной квалификационной работы

. Тема выпускной квалификационной работы

Исследование элекропривода шнекового питателя сырого угля

2. Срок сдачи студентом готовой работы

3. Содержание текстового документа (перечень подлежащих разработке вопросов)

.1 Асинхронный электропривод

.2 Разработка асинхронного электропривода с векторным управлением

.3 Расчет параметров оптимальной настройки системы

3.4 Оптимизация контуров регулирования системы асинхронного электропривода с векторным управлением с классическим регулятором скорости

3.5 Сравнительный анализ систем

. Перечень графического материала

.1 Структурная схема векторного управления при использовании вращающейся системы координат ориентированной по потокосцеплению ротора в относительных единицах

.2 Функциональная схема электропривода

. Дата выдачи задания на выполнение выпускной квалификационной работы

Реферат

Выпускная квалификационная работа (ВКР) содержит 91 страниц, 69 рисунков, 12 источников, 22 таблицы.

Ключевые слова: регулируемой электропривод, шнековый питатель сырого угля, преобразователь частоты, векторное управление, контур регулирования, оптимизация, статические характеристики, динамические характеристики, линеаризованная САУ, нелинейная САУ.

Объектом исследования является электропривод шнекового питателя сырого угля на базе системы "Преобразователь частоты - асинхронный электропривод".

Цель работы: выбрать силовую схему электропривода, рассчитать параметры электродвигателя, выбрать преобразователь частоты, провести оптимизацию контуров регулирования и исследовать их динамические и статические свойства, исследовать нелинейную систему регулирования.

ВКР выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2007 на белой бумаге формата А4 с использование программ MathCAD 14, пакет MATLAB 7.1 Simulink 6.3., Microsoft Visio 2007.

Содержание

Введение

. Электропривод ПСУ. Основные положения

.1 Описание электропривода ПСУ

.2 Обоснование применения частотно-регулируемого электропривода для питателя сырого угля

.3 Особенности выбора частотно-регулируемого привода

1.4 Технические требования к электроприводу

. Расчёт параметров элементов силовой цепи

.1 Кинематическая схема механизма питателя

.2 Выбор приводного двигателя питателя

.3 Механическая система электропривода и её параметры

.4 Определение дополнительных параметров двигателя и параметров схемы замещения

2.5 Выбор преобразователя частоты. Расчет параметров

.6 Структурная схема силового канала ЭП. Расчет параметров

2.7 Расчет предельных характеристик разомкнутой системы ПЧ-АД. Векторное управление

2.8 Проверка обеспечения заданной области работы электропривода

3. Синтез и анализ линеаризованной САУ РЭП

3.1 Структурная схема линеаризованной системы автоматического управления регулируемого электропривода (САУ РЭП)

3.2 Оптимизация контура тока

.2.1 Структурная схема и параметры элементов контура

.3 Оптимизация контура потокосцепления

.4 Оптимизация контура скорости

3.5 Статические характеристики регулируемого асинхронного электропривода с векторным управлением

4. Нелинейная САУ электропривода

.1 Структурная схема нелинейной САУ РЭП асинхронного электропривода с векторным управлением

.2 Имитационные исследования частотно-регулируемого асинхронного электропривода питателя

Заключение

Список литературы

Введение

В настоящее время энергетическую основу производства составляет электрический привод, технический уровень которого определяет эффективность функционирования технологического оборудования. Расширение и усложнение выполняемых электроприводом функций, применение новых средств, требуют высокого уровня подготовки специалистов, занятых монтажом, наладкой и эксплуатацией.

В связи с ростом требований к качеству продукции, повышением производительности технологических агрегатов большое распространение получили регулируемые электроприводы.

В таких приводах предлагается использование асинхронных электроприводов с частотным регулированием, которые по функциональным возможностям и эксплуатационным характеристикам отвечают техническим требованиям и условиям поставленной задачи. Наиболее значимые экономические предпосылки перехода к асинхронному электроприводу:

.        Низкая стоимость асинхронной короткозамкнутой машины по отношению к машине постоянного тока. Связано это с ее более простой конструкцией и высокой технологичностью изготовления. Асинхронные двигатели распространены гораздо шире, чем любые другие виды электрических машин;

2.      Низкие эксплуатационные затраты - асинхронная короткозамкнутая машина практически не требует обслуживания в течение всего времени эксплуатации, в то время как машина постоянного тока нуждается в регулярном обслуживании коллекторного узла;

3.      Затраты на ремонт электрической машины и двигателей постоянного тока зачастую оказываются соизмеримыми (а для данного применения - превышает) со стоимостью новой асинхронной короткозамкнутой машины;

4.      Степень защиты - исполнения асинхронных короткозамкнутых машин имеют широкий ряд степеней защиты. Это имеет важное значение для рассматриваемого применения (в окружающей среде высока концентрация угольной пыли). Изготовление машины с коллектором на высокую степень защиты вызывает ее существенное удорожание и осложняет обслуживание. Иногда прибегают к созданию локальных условий установки с более благоприятной окружающей средой, что требует еще больших затрат.

1. Электропривод ПСУ. Основные положения

.1 Описание электропривода ПСУ

Шнековый питатель сырого угля (ПСУ) осуществляет подачу угля из бункера сырого угля в систему пылеприготовления котла. Общий вид питателя приведен на рис. 1.1.

Рисунок 1.1- Общий вид шнекового питателя сырого угля: 1-электродвигатель; 2-редуктор; 3-бункер сырого угля; 4-шнек; 5-течка сырого угля

Шнековый питатель сырого угля [1] относится к группе механизмов длительного режима работы с постоянной нагрузкой и небольшим диапазоном регулирования скорости. Для целей модернизации существующих нерегулируемых асинхронных или регулируемых постоянного тока электроприводов шнековых питателей целесообразно применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода. При этом необходимо обеспечить повышенный пусковой момент, плавность протекания пуско-тормозных режимов и защиту двигателя и преобразователя по току, а механизма по моменту при больших перегрузках.

В качестве электропривода шнекового питателя применён частотно-регулируемый электропривод с асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором типа АД (АИР)160М4 и преобразователем частоты VLT5027 компании "Danfoss". Плавность протекания пуско-тормозных режимов достигается установкой задатчика интенсивности скорости с S-образной выходной характеристикой на входе системы управления электропривода. Задатчик скорости такого типа формирует изменения скорости двигателя в пуско-тормозных режимах с ограниченными значениями ускорения и рывка. Это значит, что в пуско-тормозных режимах электропривода будет ограничиваться значение тока двигателя и скорости его изменения. Однако фактическое значение тока двигателя будет зависеть от величины статического момента и характера нагрузки, а также от конкретного вида пуско-тормозного режима.

При больших статических нагрузках значение максимального тока электродвигателя будет определяться значением статического момента нагрузки. Большие перегрузки для шнекового питателя являются аварийными режимами. В аварийных режимах производственного механизма необходимо ограничить величину максимального тока двигателя на время срабатывания защиты. В электроприводах со скалярным управлением для ограничения тока на допустимом уровне предусматривается система ограничения тока, представляющая собой контур регулирования тока с датчиком тока и регулятором ограничения тока.

Функциональная схема частотно-регулируемого асинхронного электропривода шнекового питателя с ограничением тока приведена на рис. 1.2. Ограничение тока электропривода на уровне допустимого I_эпмакс достигается с помощью отрицательной обратной связи по фазному току статора двигателя I_ф1 , действующей на вход управления напряжением инвертора.

Рисунок 1.2 - Функциональная электрическая схема асинхронного ЭП с ПЧ

Преобразователь частоты наиболее распространенный для управления короткозамкнутым АД имеет АИН и ШИМ напряжения на выходе, неуправляемый выпрямитель на входе силовой части схемы и микропроцессорное управление.

Основные элементы, входящие в функциональную схему:

·        UZ - неуправляемый выпрямитель;

·        - фильтр;

·        RT - термистор, ограничивающий ток заряда конденсатора ;

·         - разрядное сопротивление для конденсатора ;

·        FU1,FU2,FU3 - предохранители;

·        R,C - снаббер: цепь защиты от перенапряжений на транзисторах IGBT;

·        RS - датчик тока для организации защиты (FA) от сквозных и недопустимых токов перегрузки через IGBT ;

·        VT - VD - трехфазный инвертор на IGBT с обратным диодным мостом.

Основные блоки в системе управления:

·        Блок питания БП, состоящий из восьми гальванически развязанных источников постоянного напряжения;

·        Микроконтроллер AD на базе сигнального процессора TMS 320 F2812 из серии С2000 "Motor Control" фирмы Texas Instruments;

·        Плата индикации DS с переключателем способа управления: местное или дистанционное;

·        Блок сопряжения ТВ для работы с внешними сигналами или командами;

·        Согласующие усилители UD - драйверы IGBT.

Электропривод работает следующим образом [1]:

При подаче напряжения 380 В на силовой вход ПЧ в звене постоянного тока происходит процесс заряда конденсатора фильтра С_о, который определяется значениями RT, L_о, C_о. Одновременно с этим в информационную часть схемы подается питание (напряжения U₁ - U₈). В процессе выдержки времени на установление напряжений стабилизированных источников питания U₁ - U₄ аппаратная защита FA блокирует открывание ключей инвертора и происходит запуск программы управления процессором по аппаратно формируемой команде "Рестарт".

Выполняется инициализация. Производится запись начальных условий в ячейки ОЗУ процессора и определяется способ управления - местное или дистанционное. Если с датчиков тока фаз двигателя ТА_А, ТА_В, ТА_С, аппаратной защиты FA, напряжения сети U_c, а также от всех каналов вторичного источника питания поступает информация о нормальных параметрах, то ЭП готов к работе и на цифровой индикатор выводятся нули, светится светоизлучающий диод "Подача". В противном случае загорается светоизлучающий диод "Авария" и на цифровом индикаторе появляется код срабатывания той или иной защиты.

Для управления двигателем процессор формирует систему трехфазных синусоидальных напряжений, изменяемых по частоте и амплитуде, и передает их в модулятор, в котором синусоидальные сигналы управления фазами - "стойками" инвертора, состоящими из последовательно включенных ключей IGBT, преобразуются в дискретные команды включения и отключения транзисторов. Несущая частота ШИМ составляет от 5 до 15 кГц. Одновременное замыкание двух ключей в "стойке" инвертора блокируется, для учета реального времени запирания транзисторов в процесс переключения вводится "мертвое" время, составляющее единицы микросекунд, в течение которого оба ключа разомкнуты.

Микропроцессор TMS 320 2812 позволяет реализовать векторное управление координатами двигателя. Структура системы автоматического управления технологическим объектом, в которую включен данный ПЧ, может быть самой разнообразной - от разомкнутой системы до замкнутой обратными связями по нескольким сигналам. Алгоритм управления также зависит от требований технологического объекта. Структура и алгоритм могут быть перепрограммированы.

Силовая часть ПЧ неизменна и пригодна для других способов управления координатами электродвигателя с применением других микропроцессорных средств.

1.2 Обоснование применения частотно-регулируемого электропривода для питателя сырого угля

Рабочая скорость вращения двигателей ПСУ изменяется в относительно узком диапазоне регулирования от 500 до 1900 об/мин [2]. В зависимости от требуемой производительности работа может производиться на любой скорости указанного диапазона в течение длительного времени. По отношению к электроприводу ПСУ можно рассматривать как нагрузку, статический момент которой не зависит от скорости. Режим работы является длительным, не предусматривающий частых пусков и остановок. Жестких требований к динамике электропривода не предъявляется, не накладывается также ограничений на характер переходных процессов при пуске, торможении и переходе с одной скорости на другую, однако, переходные процессы желательно должны быть плавными. При эксплуатации не исключены кратковременные перегрузки, сопровождающиеся существенным ростом статического момента, вплоть до стопорения механизма. Электрические машины эксплуатируются в окружающей среде, насыщенной угольной пылью.

Представляется перспективным перейти к использованию асинхронных электроприводов ПСУ с частотным регулированием, которые по функциональным возможностям и эксплуатационным характеристикам могут отвечать предъявленным техническим требованиям:

диапазон регулирования современных асинхронных электроприводов с преобразователями частоты при простейшем скалярном управлении может быть получен не менее 1:(5-10), что является вполне достаточным для ПСУ.

асинхронные короткозамкнутые электродвигатели имеют широкий ряд степеней защиты.

1.3 Особенности выбора частотно-регулируемого привода

Выбор частотно-регулируемого привода для ПСУ имеет ряд особенностей. Укажем те из них, которые наиболее характерны для данного типа объектов автоматизации[2].