Система автоматического регулирования скорости шахтной подъемной установки с тиристорным асинхронным электроприводом

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирский государственный индустриальный университет Кафедра электромеханики Расчётно-пояснительная записка к курсовому проекту по курсу: «Автоматизация установок и комплексов горных предприятий»

Тема: «Система автоматического регулирования скорости шахтной подъемной установки с тиристорным асинхронным электроприводом»

Вариант 13

Прокопьевск 2008 г.

Содержание Введение Задание

1. Описание функциональной структуры системы тиристорного электропривода

2. Определение мощности и выбор электродвигателя

3.Исследование статистического САР скорости электропривода ШПУ

3.1 Методика определения показателей качества САР скорости ШПУ

3.2 Методика синтеза САР скорости ШПУ

3.3 Анализ статистического САР скорости ШПУ

4. Исследование астатистического САР скорости ШПУ

4.1 Синтез астатического САР скорости ШПУ

4.2 Анализ астатического САР скорости ШПУ

5. Экономическая эффективность применения системы тиристорного асинхронного электропривода для ШПУ

5.1 Фактор надежности функционирования системы привода при оценке экономической эффективности

5.2 Определение экономических показателей проектируемой системы привода Заключение

Введение

Цель курсового проекта — закрепить и углубить задания студентов по дисциплине «Автоматизация комплексов и установок горных предприятий», выработать у них самостоятельные навыки по решению наиболее актуальных вопросов проектирования САР скорости электропривода ШПУ, отвечающих требованиям современного развития на базе широкого применения тиристоров.

Проектом предусматривается применение для ШПУ тиристорного параметрически регулируемого привода со смешанным (комбинированным) управлением асинхронным двигателем с фазным ротором, при котором регулирование скорости осуществляется путем плавного изменения напряжения в цепи статора и ступенчатого изменения величины сопротивления цепи ротора с помощью соответствующих тиристорных коммутаторов (ТК). Такой способ в силу простоты реализации и высокой надежности более рационален, чем обычный реостатный, импульсный, фазово-импульсный способы параметрического регулирования скорости вращения асинхронного двигателя ШПУ.

По своим технико-экономическим показателям рассматриваемая система привода превосходит асинхронно-вентильный каскад (АВК) и асинхронный привод с частотным способом регулирования скорости двигателя. Системе АВК присущи такие недостатки: высокий уровень капиталовложений; более низкий коэффициент надежности; значительные эксплуатационные расходы, связанные со значительным количеством ремонтных единиц электросилового оборудования и аппаратуры управления; низкий коэффициент мощности. К основным недостаткам электропривода с тиристорным преобразователем частоты следует отнести: сложность аппаратуры управления, высокий уровень капиталовложений; значительное число ремонтных единиц аппаратуры управления; высокую стоимость приводного двигателя, имеющего специальное исполнение.

На основании вышеизложенного можно делать вывод, что предлагаемая система привода наиболее целесообразна при проектировании новых и реконструкции существующих систем приводов ШПУ.

Задание

1. Используя техническую и учебную литературу, провести анализ состояния вопроса автоматизации электропривода шахтной подъемной установки (ШПУ), оценив достоинства и недостатки возможных вариантов систем приводов.

2. По тахограмме и диаграмме движущих усилий установить необходимую мощность и выбрать асинхронный двигатель подъемной машины.

3. Построить исходную алгоритмическую структуру системы автоматического регулирования (САР) скорости ШПУ.

4. Выполнить синтез САР методом логарифмических амплитудно-частотных характеристик (ЛАЧХ) со схемной реализацией корректирующего устройства (КУ) на пассивном четырехполюснике (статическая САР).

5. Выполнить синтез САР, положив в основу критерий технического оптимума, со схемной реализацией и выбором параметров настройки регулятора на базе операционного усилителя (астатическая САР).

6. Выполнить анализ переходных характеристик обеих вариантов САР по управляющему и возмущающему воздействию. Дать сравнительную опенку показателей качества процесса регулирования для этих вариантов.

7. Дать технико-экономическое обоснование целесообразности применения проектируемой системы привода и САР скорости подъемной установки для цели реконструкции на базе системы привода со смешанным управлением асинхронным двигателем.

8. Выполнить графическую часть проекта на листе формата А1, расположив на нем: функциональную структуру электропривода; структурную схему статической САР; логарифмические амплитудно-частотные характеристики статической САР; структурные схемы статической и астатической САР по управляющему и возмущающему воздействиям в численном виде, принципиальную схему регулятора скорости с указанием номиналов, графики переходных процессов статической и астатической САР по основным воздействиям.

9. Дать заключение.

Данные Движущие усилия:

F1 = 154,92 кН;F2 = 154,59 кН;F3 = 198,07 кН;F4 = 195,09 кН;

F5 = 117,28 кН;F6 = 85,10 кН;F7 = - 26,94 кН;F8 = - 29,06 кН;

F9 = 83,05 кН;F10 = 82,67 кН;F11 = 42,94 кН;F12 = - 71,49 кН;

F13 = - 76,08 кН.

Скорости:

V0 = 1,14 м/с;Vmax = 5,28 м/с;Vп = 0,5 м/с.

Ускорения:

а0 = 0,3 м/с2;а1 = 0,68 м/с2;а3 = -0,98 м/с2;ас = -1,0 м/с2.

Время:

t0 = 3.8 с;t1 = 6,09 с;t2 = 39,87 с;t3 = 4,88 с;

tп = 7,1 с;tc = 0,5 с; = 12 с; t’п = 5,0.

Расчетные параметры ШПУ:

Грузоподъемность сосуда 9 т;

Высота подъема 250 м;

Мощность двигателя 800 кВт;

Тип подъемной машины 2Ц-4×2,3.

1 Описание функциональной структуры системы тиристорного электропривода Тиристорный коммутатор в цепи статора укомплектован пятью однофазными коммутирующими элементами (КТЭ), каждый из которых состоит из двух встречно-параллельно включенных тиристоров. Схема соединения КТЭ (рисунок 1,1) или симисторов (рисунок 1,2) даёт возможность осуществления реверса (работают первый, второй, третий или второй, четвертый, пятый КТЭ) и режима динамического торможения электродвигателя, при котором последний подключается к сети переменного тока через двухполупериодный мостовой выпрямитель, составленный тиристорами VS6, VS10, работающими в прямом и тиристорами VS1 и VS в обратном направлениях (рисунок 1,1) или симисторами ТС1, ТС5, ТС3, ТС4 (рисунок 1,2). Управление ТК статора осуществляется системой фазового управления (СФУ), обеспечивающей регулирование угла открытия тиристоров и тем самым регулирование напряжения, подводимого к двигателю, в функции сигнала рассогласования заданной и фактической скорости, так как угол определяется величиной напряжения управления Uу которое формируемого усилителем сигнала рассогласования У, входящим в состав регулятора скорости РС вместе с КУ. Фактическая частота вращения измеряется с помощью тахогенератора ТГ, преобразующего скорость вращения электродвигателя в напряжение постоянного тока Uдс. Напряжение задания Uз, пропорциональное заданной скорости, формируется устройством ЗУ в соответствии с проектной диаграммой скорости ШПУ.

Выбор режима работы электропривода подъёмной машины (ПМ) осуществляется блоком формирования команд (БФК) путём переключения в СФУ существующих каналов управления тиристорами. Переход от двигательного режима к тормозному и наоборот происходит автоматически в зависимости от знака сигнала, реверсирование и отключение двигателя от сети производится по команде от системы автоматизации ПМ.

Для увеличения момента двигателя в области малых скоростей и получения, желаемых пусковых и тормозных характеристик, в цепь ротора включены добавочные сопротивления, которые шунтируются трёхфазным тиристорным короткозамыкателем, состоящим из тиристоров VS11, VS12, VS13, управляемых блоком БШР (рисунок 1).

2 Определение мощности и выбор электродвигателя Эффективная мощность электродвигателя определяется по эффективном) усилию исходя из соотношения где — эффективное движущее усилие по окружности навивки, Н;

— максимальная скорость движения скипов, м/с;

— КПД редуктора, принимается равным для одноступенчатого редуктора 0,97, для двухступенчатого — 0,95. Эффективное усилие определяется по формуле

где и , — усилие на i-ом участке и время i-oro участка диаграммы нагрузки; - эффективное время работы двигателя, с, определяется по формуле

где — общее время движения с максимальной скоростью, с;

() -общее время движения, с ускорением и замедлением, с;

— время паузы, с;

с.

кН

Тогда эффективная мощность электродвигателя Установочная мощность электродвигателя кВт.

Требуемая скорость вращения вала электродвигателя где — передаточное число редуктора, —11,5;

— диаметр барабана подъемной машины, = 4,0 м;

об/мин По установочной мощности, требуемой скорости вращения вала двигателя и в соответствии с данными каталогов заводов изготовителей подъемных электродвигателей выбирается асинхронный двигатель с фазным ротором серии АКН 2 со следующими техническими характеристиками АКН2 -18−43−20:

номинальная мощность Рном=800 кВт;

синхронная частота вращения n=300 об/мин;

— частота вращения номинальная nном=295об/мин;

— ток статора =112 А;

ток ротора =445 А;

ЭДС ротора =1100В;

Перегрузочная способность =2,3;

КПД =0,933.

Выбранный двигатель проверяется на допустимую перегрузку по условию:

где 1,6 — коэффициент допустимой перегрузки АД;

Fmax — максимальное движущее усилие, определяемое по диаграмме;

FН — номинальное движущее усилие, развиваемое двигателем.

кН.

Проверяется условие

.

Так как условие выполняется, то двигатель не перегружен.

3. Исследование статистической САР скорости электропривода шахтной подъемной установки

3.1 Методика определения показателей качества САР скорости ШПУ

тиристорный электропривод асинхронный шахтный подъемный

Заданные показатели качества определяются по методике профессора Г. Е. Иванченко применительно к конкретному случаю, исходя из следующих положений.

САР скорости привода подъемных машин представляет собой систему программного управления, исследование которой можно выполнять двумя путями. Первый путь предусматривает исследование процесса обработки заданной диаграммы скорости в течение всего периода движения, второй — на ограниченном участке тахограммы, где к САР предъявляются наиболее жесткие требования. Последний путь существенно проще и обеспечивает при достаточной точности исследований получение общих зависимостей, необходимых для синтеза системы.

Мгновенное изменение заданного значения регулируемого параметра создает более тяжелые условия регулирования, чем плавное. Это позволяет свести исследование движения привода подъемной установки к обычной задаче классической теории автоматического управления Обеспечение системой желаемого качества регулирования при ступенчатом воздействии является гарантией выполнения требуемой тахограммы при плавном задании скорости.

В статической системе управления установившееся значение отклонения скорости? V1, от заданной может быть принято постоянной величиной, так как статическая нагрузка в течение переходного процесса остается практически неизменной. Мгновенное значение ошибки по скорости определяется выражением

?V= ?Vс+?VД

где ?VД — динамическая ошибка.

Знак (+) принимается при разгоне в двигательном и замедлении в тормозном режимах, знак (-) при замедлении е двигательном и разгоне, а тормозном режимах.

Максимальное значение динамической ошибки соответствует началу переходного процесса и равно величине скачка задающего воздействия В период разгона подъемного двигателя в двигательном и замедлении в тормозном режимах отклонение действительной скорости от заданной будет наибольшим. Поэтому вопрос обеспечения требуемой точности САР необходимо решать именно для этого случая.

Для обеспечения нормальной работы системы при принятом способе управления двигателем необходимо соблюдение условия которое ограничивает допустимую величину динамической ошибки. Значение статической ошибки находится из условия

где — допустимая скорость в момент наложения предохранительного тормоза, м/с.

Следовательно, значение не должно превышать м/с.

Максимальная длительность переходного процесса из условия его затухания к моменту очередного изменения заданной скорости на величину

определяется соотношением где — заданная длительность переходного процесса. Заданная длительность переходного процесса где амах — наибольшее ускорение (замедление) подъемного сосуда Если заданная скорость изменяется плавно, что имеет место в нашем случае, точность управления возрастает м расчетное время переходного процесса может быть найдено из выражения где — коэффициент, зависящий от степени характеристического уравнения системы, равный 2,2 для уравнений третьего порядка и двум для уравнения четвертого порядка.

Следовательно, расчетное время переходного процесса

с Максимальное перерегулирование и число колебаний переходного процесса и могут быть приняты соответственно Приведенные выражения определяют показатели качества, необходимые для выполнения синтеза проектируемой системы привода.

3.2 Методика синтеза САР скорости Задача синтеза заключается в выборе структуры и параметров системы автоматического регулирования, обеспечивающей требуемую точностью удовлетворяющей заданным показателям качества. Выбор алгоритма и расчет параметров во многом определяются статическими и динамическими свойствами объектами управления.

Сложность исследования рассматриваемого электропривода как объекта управления заключается в том, что он описывается системой нелинейных уравнений [5,6], аналитическое решение которых затруднительно. Как показано в ряде работ, в том числе и в синтез САР скорости электропривода ШГТУ можно выполнить по его линеаризованной математической модели. Однако при этом не учитываются изменения динамических характеристик и структурных схем асинхронного двигателя, имеющих место при смешанном управлении им, как принято в проекте. Поэтому в основу синтеза данной САР положены рекомендации по выбору структуры и параметров линеаризованной модели тиристорного привода как объекта управления, разработанные [4−7]

Линейная математическая модель исследуемого объекта управления в дифференциальной форме записи имеет вид где j — момент инерции подъемной установки, приведенный к валу двигателя;

щ — циклическая частота вращения двигателя;

v — относительное значение напряжения, подводимого к двигателю (первой гармонике — в двигательном режиме, постоянной составляющей — в режиме динамического торможения);

р — относительная величина сопротивления роторной цепи;

Mс — статический момент нагрузки;

К в, Кэ, Кс — соответственно коэффициент жесткости механической характеристики, коэффициент чувствительности к изменению питающего напряжения и коэффициент чувствительности к изменению активного сопротивления ротора.

Минимальные значения. имеют место при и определяются выражениями:

где — значение критического момента, ;

— максимальное значение момента, необходимое для выполнения заданной программы скорости, ;

— момент инерции установки; приведенный к валу двигателя,; -синхронная циклическая частота вращения двигателя.

— критическое скольжение.

Номинальное скольжение двигателя Критическое скольжение на естественной, механической характеристике Синхронная циклическая частота вращения двигателя Номинальный и критический моменты двигателя:

Максимальный момент на валу двигателя;

Следовательно, значения определятся как

Параметры остальных элементов, входящих в исходную САР (рисунок 3), определяются следующими соображениями: поскольку инерционность системы фазного управления (СФУ) и тиристорного коммутаторов (ТК) во много раз меньше инерционности электромеханической системы, то эти устройства можно рассматривать как практически безынерционные звенья, описываемые уравнениями в приращениях;

где — угол открытия тиристоров, эл. град;

— напряжение управления. В;

— коэффициенты передачи системы фазного управления

тиристорного коммутатора соответственно.

Таким образом, желаемый коэффициент усиления разомкнутой САР из условия статической точности в данном случае составит где — максимальная скорость движения подъемных сосудов, согласно заданию

Тогда желаемый коэффициент усиления разомкнутой САР из условия статической точности будет равен коэффициент усиления усилителя коэффициент передачи замкнутой системы

коэффициент передачи системы по ошибке Значение статической ошибки определяется условием (3.4). Используя выражения, приведенные выше передаточные функции разомкнутой и замкнутой САР по основному управляющему воздействию

;

где — некомпенсированная постоянная времени.

c.

Обязательным условием устойчивости такой системы является выполнение соотношений ТОБ >ТФС. и КР >1, что соблюдается.

Передаточная функция оптимальной САР будет иметь вид

Передаточная функция регулятора определяется по формуле

где — изодромная постоянная времени.

Изодромная постоянная времени определяется как с.

При работе асинхронного двигателя в точке, соответствующей критическому скольжению, получается структурно-неустойчивая система содержащая два последовательно включенных неминимально-фазовых звена.

Делается попытка синтезировать структурно-устойчивую САР, для чего в числителе передаточной функции регулятора (ПИ-регулятор) меняется минус на плюс.

Тогда передаточная функция КУ будет иметь вид

где К — коэффициент усиления.

Коэффициент усиления определяется по формуле

Исходная ЛАЧХ строится по передаточной функции замкнутой САР по основному управляющему воздействию.

LР=20lgKP=20lg18,6=25,4 дВ;

Т1=0,74 с; с-1; lg;

Т2=0,0213с; с-1; lg.

3.3 Анализ статистического САР скорости

С целью проверки правильности выбора КУ выполняется построение и анализ переходной характеристики системы по основному управляющему и возмущающему воздействию для двигательного режима. В построении переходных процессов в режиме торможения нет необходимости, так как применяемая в практике методика синтеза при правильно выбранном КУ гарантирует обеспечение САР заданных показателей качества во всех возможных режимах работы привода ШПУ.

Для определения времени регулирования необходимо построить трубку точности, которая определяется по допустимому отклонению от установившегося значения переходной характеристики (±3ч5%).

Максимальное перерегулирование определяется по формуле Х=

где ?щ mмаксимальное значение переходной функции;

?щ уст — установившееся значение переходной функции.

4. Исследование астатического САР скорости ШПУ Показатели качества переходного процесса для астатического варианта САР принимаются равными показателям статистического варианта САР.

4.1 Синтез астатического САР скорости ШПУ Схемная реализация регулятора САР производятся на основе операционных усилителей. Принципиальная схема регулятора изображена на рисунке.

Принципиальная электрическая схема ПИ-регулятора.

Параметры элементов электрической схемы связаны системой Для нахождения параметров схемы необходимо задаться значением емкости обратной связи Принимается = 100 мкФ, тогда Ом

На основе структуры САР, изображенной на рисунке 6, и определения параметров типовых звеньев, составляются структурные схемы САР по управлению и возмущению в числовом виде.

4.2 Анализ астатической САР скорости ШПУ С целью проверки правильности выбора регулятора выполняется построение и анализ переходной характеристики системы по основному управляющему и возмущающему воздействиям для двигательного режима. В построении переходных процессов в режиме торможения нет необходимости, так как применяемая в проекте методика синтеза при правильно выбранном регуляторе гарантирует обеспечение САР заданных показателей качества во всех возможных режимах работы привода ШПУ.

5. Экономическая эффективность применения системы тиристорного асинхронного электропривода для ШПУ

5.1 Фактор надежности функционирования системы привода при оценке экономической эффективности В связи с этим применение рекомендуемой системы привода позволяет значительно снизить ущерб от простоев подъемной установки, которая определяется по формуле где М (у) — математическое ожидание убытков от простоев ШПУ в результате отказов системы привода ;

— коэффициент, учитывающий затраты на дополнительные ремонты, принимается равным 1,03−1,08;

— коэффициент, учитывающий долю условно-постоянных расходов в себестоимости продукции, принимается равным 0,4;

Сусебестоимость одной тонны добываемого угля, по данным АО «УК Кузнецкуголь» принимается равной 850−900 руб./т;

КИ — коэффициент использования подъемной установки, принимается равным 0,45;

— годовая производительность подъема, т/год;

— параметр потока отказов системы привода, 1/ч;

— среднее время простоев ШПУ в результате возникновения одного отказа в системе привода, принимается равным 0,74 ч;

— коэффициент влияния технологических связей, принимается равным

0,72

Годовая производительность подъемной машины где Т — чистое время подъема;

Q — грузоподъемность скипа;

t — продолжительность работы машины в сутки, принимается равной 15 ч; N — количество рабочих дней в году составляет 365.

т/год.

Ущерб от простоев подъемной установки с релейно-контакторном системой управления

руб /год. Ущерб от простоев подъемной установки с АВК

руб/год.

Ущерб от простоев подъемной установки с тиристорным асинхронным приводом со смешанным управлением двигателя ШПУ

руб /год.

При всех прочих равных условиях ущерб от простоев подъема с тиристорным асинхронным приводом почти в 10 раз меньше, чем с реостатным и в 4 раза, но сравнению с АВК.

5.2 Определение экономических показателей проектируемой системы привода Определение экономического эффекта от применения автоматизированного тиристорного асинхронного привода на шахтных подъемах выполняется в сравнении его экономических показателей с аналогичными показателями АВК и реостатного привода с релейно-контакторной схемой управления асинхронным двигателем как базового варианта.

Определяется экономический эффект от применения тиристорного привода по формуле где — суммарные затраты сравниваемой системы привода (тиристорного привода или АВК) и реостатного привода принятого за базовый вариант;

— соответственно убытки от простоев в результате отказов электросилового оборудования сравниваемой системы привода и базового варианта.

Суммарные затраты определяются по формуле где Э — эксплуатационные расходы по основным элементам, руб/год; К — К — капитальные затраты, руб;

Ккапитальные затраты Еннормативный коэффициент окупаемости капиталовложений, по данным кафедры «Экономика и управление горными предприятиями»

(ЭиУГП) принимается равным 0,15.

Для реостатного подъема — =677 626руб/год; =499 600 руб.

Для АВК — =550 682руб/год; =705 406 руб.

Для тиристорного асинхронного привода -=521 172руб/год;

= 523 020 руб.

Суммарные затраты системы реостатного управления

руб.

Суммарные затраты системы АВК.

руб.

Суммарные затраты системы тиристорного привода руб.

Определяется экономический эффект от применения АВК

руб.

Определяется экономический эффект от применения тиристорного привода

руб.

Расчет сроков окупаемости дополнительных капиталовложений производится по выражению где — суммарные капиталовложения соответственно в базовый вариант м рассматриваемый привод, руб.;

— затраты, учитывающие эксплуатационные расходы и ущерб от простоев сравниваемых систем приводов, руб./год.

Для реостатного = 1 236 892руб/год, для АВК — 740 174 руб./год

Расчет сроков окупаемости дополнительных капиталовложений для системы АВК года.

Расчет сроков окупаемости дополнительных капиталовложений для системы тиристорного электропривода

года.

Для системы тиристорного электропривода величину срока окупаемости дополнительных капиталовложений принимаем равной 0. так как капиталовложения в тиристорный привод меньше, чем в реостатный.

Стоимость электрооборудование тиристорного привода ниже, чем двух других систем. Более низкие затраты на оборудование тиристорного привода связаны с применение мощных современных тиристоров, имеющих невысокую стоимость. Применение АВК связано с большими капитальными затратами, так как в этом случае необходимы дорогостоящие преобразователи серии ПАВК. Сравнение эксплуатационных расходов по элементам показывает, что заработная плата обслуживающего персонала при тиристорном приводе за счет применения более надежных средств автоматизации и тиристорной схеме управления двигателем, выполненных на бесконтактных элементах, значительно ниже, чем при реостатном и АВК; автоматизированные отчисления распределяются соответственно затратам по стоимости электрооборудования; стоимость электроэнергии за год при применении АВК ниже, чем при тиристорном и реостатном приводах, В целом по суммарным эксплуатационным расходам и уровню капиталовложений наиболее выгодным является применение тиристорного привода.

Экономический эффект от внедрения этого привода на подъемах с мощностью асинхронного двигателя 800 кВт в сравнении с реостатным составляет 701 тыс. руб., а с АВК составляет 236 тыс. руб.

Из приведенного анализа следует, что тиристорный асинхронный привод со смешанным управлением асинхронным двигателем может быть рекомендован, при проектировании и реконструкции подъемов.

В качестве САР скорости рекомендованы к применению ПИ-регуляторы.

Заключение

В ходе проведённых расчётов курсового проекта была рассмотрена и анализирована схема тиристорного привода со смешанным управлением асинхронным двигателем шахтной подъёмной установки.

По исходным данным, предоставленным для расчёта, была построена тахограмма и диаграмма движущих усилий. Выбран асинхронный двигатель типа АКН2−18−43−20, который в наибольшей степени соответствует требуемым характеристикам ШПУ. Для осуществления пуска при высокой плавности регулирования скорости, применяются 2 пусковых сопротивления в цепи ротора.

Для корректирования статической и астатической систем были выбраны корректирующие устройства и рассчитаны их параметры.

На основании полученных данных были построены переходные характеристики САР ШПУ.

Из приведенного экономического анализа следует, что в целом по суммарным эксплуатационным расходам и уровню капиталовложений наиболее выгодным является применение тиристорного привода. Тиристорный асинхронный привод со смешанным управлением асинхронным двигателем может быть рекомендован при проектировании и реконструкции подъемов.