3. Описание принципиальной электрической схемы

При описании схемы управления технологической установкой необходимо дать общую характеристику электрооборудования и принятых схемных решений. Далее приводят работу схемы управления во всех режимах, указывают внесённые изменения и их влияние на работу схемы. В заключение раздела описывают используемые защиты, блокировки и их работу.

3. Выбор элементов системы электропривода

В этом разделе курсового проекта необходимо произвести расчёт и выбор аппаратуры управления, используемой в электрооборудовании технологической установки. При выборе аппаратуры следует руководствоваться положениями ПУЭ (гл. 5.3).

6.1 Расчет и выбор силового преобразователя

6.1.1 В настоящее время силовые преобразователи для регулируемых электроприводов выпускаются в виде комплектных устройств, включающих в себя все необходимые элементы для построения регулируемого привода, согласованные по всем своим техническим и конструктивным характеристикам и параметрам уже на стадии проектирования и изготовления.

При выборе комплектного преобразователя необходимо учитывать:

• род тока нагрузки;

• возможность обеспечения необходимых режимов работы регулируемого электропривода;

• мощность, напряжение и ток нагрузки;

• диапазон, плавность регулирования и закон регулирования выходного параметра;

• точность поддержания выходного параметра;

• перегрузочную способность преобразователя;

• способ подключения и параметры питающей сети;

• наличие режима энергосбережения.

6.1.2 Преобразователь регулируемого напряжения для электропривода постоянного тока выбирают по следующим условиям [6]

(6.1)

где U_вых.пр, I_вых.пр – выходные напряжение, В, и ток, А, преобразователя соответственно;

I_{макс.пр} – максимальный ток преобразователя, А, при максимальной длительности тока перегрузки двигателя;

U_в.пр – напряжение источника питания возбуждения преобразователя, В;

U_ном.дв, I_ном.дв – номинальные напряжение, В, и ток, А, двигателя соответственно;

I_{макс.дв} – максимальный ток двигателя, А;

U_{в.ном.дв} – номинальное напряжение возбуждения двигателя, В.

6.1.3 Выбор преобразователя частоты для регулируемого асинхронного двигателя основывается в первую очередь на возможности реализации всех технологических требований, предъявляемых к функционированию конкретного механизма. После этого можно переходить к выбору определенного типа преобразователя частоты, исходя из имеющейся питающей электрической сети, номинальных данных выбранного двигателя и максимальных значений момента и тока, определяемых нагрузкой электропривода. При выборе преобразователя частоты необходимо соблюдать условия

(6.2)

где Р_ном.пр, I_ном.пр – номинальные мощность, кВт, и ток, А, преобразователя соответственно,

P_ном.дв, U_ном.дв – номинальные мощность, кВт, и напряжение, В, асинхронного двигателя соответственно;

U_{вых.макс.пр} – максимальное выходное напряжение преобразователя, В;

I_расч – расчетный ток преобразователя, А;

М_{макс.пр} – максимальный момент двигателя, допускаемый преобразователем, Н∙м;

М_макс – максимальный момент двигателя при работе механизма, Н∙м.

Расчетный ток преобразователя I_расч, А, определяется в зависимости от фактической загрузки двигателя, его перегрузочной способности, номинального напряжения питающей преобразователь сети и допустимой перегрузки инвертора по току

, (6.3)

где k_I – коэффициент перегрузки инвертора по току, обычно принимаемый равным 1,36÷1,50;

λ – перегрузочная способность двигателя;

I_дв.Uс – расчетный ток двигателя, А, приведенный к напряжению питающей преобразователь сети:

, (6.4)

U_с – напряжение сети, питающей преобразователь частоты, В;

I_дв.Uном – расчетное значение тока статора асинхронного двигателя при номинальном напряжении U_ном, А:

, (6.5)

, (6.6)

, (6.7)

, (6.8)

I_р, I_а – реактивная и активная составляющие тока статора асинхронного двигателя, А;

I_1ном – номинальный ток статора асинхронного двигателя, А;

М_с.макс – наибольшее значение статического момента нагрузки, Н∙м;

М_ном – номинальный момент двигателя, Н∙м;

cosφ_ном – номинальный коэффициент мощности двигателя.

При выборе комплектного частотного преобразователя необходимо привести таблицу параметров, которые необходимо запрограммировать для корректной работы преобразователя в составе электрооборудования технологической установки. Рекомендации по применению частотных приводов приведены в приложении Г.

6.1.4 Выбор тиристоров для регулятора напряжения (ТРН) производится по напряжению (классу) и номинальному току и зависит от схемы включения, номинальной мощности, степени загрузки и режима работы асинхронного двигателя, способа охлаждения тиристоров.

Класс тиристоров определяет повторяющееся напряжение U_{в.макс.доп}, т. е. максимально допустимое мгновенное напряжение, прикладываемое к тиристору в процессе коммутации в каждый период напряжения сети. Рекомендуемое рабочее напряжение тиристора определяется амплитудой напряжения сети и равно 0,8U_{в.макс.доп}. Если учитывать возможность неравномерного распределения напряжения на тиристорах, включенных в фазы обмоток асинхронного двигателя, то независимо от силовой схемы ТРН напряжение на тиристоре может оказаться равным амплитуде U_л.макс линейного напряжения. Характерной особенностью работы тиристоров в статорных цепях является то, что при отключении асинхронного двигателя напряжение на тиристорах значительно повышается за счет ЭДС, наводимых в обмотках статора двигателя затухающим полем ротора. Это напряжение может достигнуть (1,4÷1,8)U_л.макс. С учетом этого класс тиристора можно определить [8, с.156]

, (6.9)

где k₁ – коэффициент, учитывающий допустимое повышение напряжения в сети, принимаемый равным 1,05÷1,07;

k₂ – коэффициент, учитывающий перенапряжения на тиристоре за счет затухающего магнитного потока ротора. Коэффициент k₂можно принимать равным 1,4÷1,5 для асинхронных двигателей до5 кВт и 1,5÷1,8 для асинхронных двигателей большей мощности.

Выбор тиристоров по току для асинхронных двигателей значительно сложнее, так как он зависит от режима работы двигателя, характера пуска, способа охлаждения тиристоров и угла проводимости. Как правило, ТРН применяются для приводов с большим числом включений, поэтому при выборе тиристоров в основном следует учитывать пусковой ток. Предельный (номинальный) ток тиристора I_{в доп}, определяющий его типоразмер, в этом случае определяется как

, (6.10)

где k_iпуск –кратность пускового тока двигателя по отношению к его номинальному току;

I_ном – номинальный ток двигателя, А;

k_cx – коэффициент, зависящий от схемы включения тиристоров. При встречно-параллельном включении k_cx=2,22; для схемы треугольного коммутатора k_cx=1,48 (рисунок 1); для симисторов k_cx=1;

k_о – коэффициент, зависящий от условий охлаждения и определяемый по каталожным данным тиристоров. При естественном охлаждении k_о

с некоторым приближением может быть принят равным: для тиристоров на 50А – 0,5; на 100А – 0,4; на 160÷500А – 0,3.

Следует отметить, что поскольку тиристоры выбираются по пусковым токам, то в установившемся режиме работы асинхронного двигателя они будут работать с некоторой недогрузкой.

а) б) в) г)

а) встречно-параллельная схема; б) треугольный коммутатор; в) несимметричная реверсивная схема; г) симметричная реверсивная схема.

Рисунок 1 – Силовые схемы ТРН

Тиристоры, как и все полупроводниковые приборы, имеют малую перегрузочную способность, и для надежной работы электропривода следует предусмотреть соответствующую защиту, обеспечивающую такие значения тока и напряжения на тиристорах, которые по амплитуде и продолжительности не превосходили бы допустимых. Основными являются два типа защиты: от сверхтоков при коротком замыкании и перенапряжений.

При коротких замыканиях возможен выход из строя тиристора по двум причинам:

• из-за превышения температуры полупроводникового кристалла во всем его объеме при длительном протекании тока больше предельного, когда мощность, рассеиваемая в кристалле, превысит допустимую;

• из-за быстрого местного превышения температуры кристалла из-за кратковременном нарастании тока (высокое значение di/dt).

Перегрузки по току могут возникать и в установившемся режиме из-за несимметричного распределения тока между параллельно включенными тиристорами вследствие различий в их характеристиках. Чтобы избежать таких перегрузок, применяют специальные делители.

Защита тиристоров от токов короткого замыкания осуществляется с помощью быстродействующих предохранителей и автоматических выключателей. Для ограничения влияния скорости нарастания тока (di/dt) применяются насыщающиеся реакторы, включаемые между сетью и ТРН.

6.2 Выбор пусковых и тормозных устройств

6.2.1 Величины пусковых или тормозных сопротивлений определяют одновременно с расчётом механических или скоростных характеристик электродвигателя.

Выбор резисторов по нагреву производят для каждой ступени по эквивалентному длительному току I_э.дл, А, который рассчитывают по выражению [10, с.137]

I_э.дл= k_нI_2ном , (6.11)

где k_н – коэффициент, который для ступеней ускорения принимается равным 1,25, для ступени противовключения 1,00, для предварительной ступени 0,80;

I_2ном – номинальный ток ротора, А;

I_доп – длительно допустимый ток резистора, А.

6.2.2 Величина сопротивления динамического торможения двигателя постоянного тока может быть рассчитана аналитическим методом [9].

Для определения сопротивления добавочного резистора R_д, Ом, необходимо задаться максимальным тормозным моментом М_торм или током I_торм, который обычно принимают не более (2-3)М_ном или (2-3)I_ном:

R_д= , (6.12)

где n_торм – частота вращения двигателя в начале торможения, мин^-1;

n₀ – частота вращения холостого хода, мин^-1;

U_ном – номинальное напряжение якоря двигателя, В;

R_я – сопротивление обмотки якоря, Ом.

6.2.3 Основным параметром кранового тормозного устройства является гарантированно развиваемый им тормозной момент [11]. Тормозной момент определяется усилием на измерительном рычаге, при котором начинается проскальзывание шкива или дисков тормоза.

Согласно правилам Госгортехнадзора каждый из установленных на механизме механических тормозов должен удерживать груз, составляющий 125% номинального, при его остановке только с помощью этого тормоза. С учётом того что коэффициент трения асбестовых материалов может меняться в зависимости от температуры поверхностей до 30%, тормоз в холодном состоянии должен развивать тормозной момент, составляющий не менее 150% от номинального, т.е. коэффициент запаса тормозного момента должен быть не ниже 1,5 расчётного момента М_т.р, Н∙м, который определяется формулой

М_т.р= 94m_номv_{ном ном}/n_ном, (6.13)

где М_т.р – расчётный момент тормоза, Н·м;

m_ном – номинальная грузоподъёмность механизма подъёма, кг;

v_ном – номинальная скорость подъёма, м·с^-1;

_ном – КПД механизма при номинальной нагрузке;

n_ном – номинальная частота вращения тормозного шкива, соответствующая скорости v_ном, мин^-1.

С учётом режимов работы механизмов тормозные моменты тормозов М_т, Н∙м, должны быть равны

М_т= k_з.тМ_т.р, (6.14)

где k_з.т – коэффициент запаса тормоза, принимаемый по таблице 3.

Таблица 3 – Коэффициенты запаса тормозов

Группа режимов	Механизм подъёма
	один тормоз	два тормоза
1М – 3М(Л) 4М(С) 5М(Т) 6М(ВТ)	1,50 1,75 2,00 2,50	1,25 1,25 1,25 1,25
Примечание:1) при двух тормозах на каждом приводе и двух приводах и более у механизма коэффициент запаса каждого тормоза должен быть не менее 1,1. 2) если применяются два тормоза и более, то запас торможения устанавливается в предположении, что весь груз удерживается одним тормозом.

Тормозной момент тормозов, устанавливаемых на механизмах горизонтального перемещения, определяется исходя из условий обеспечения удержания механизма при наибольших внешних нагрузках с учётом задаваемого выбега и отсутствия нарушения сцепления колёс с рельсами

, (6.15)

где G – масса передвигающегося механизма (моста, тележки), кг;

v_г – номинальная скорость горизонтального перемещения, м·с^-1;

S – установленный допустимый выбег, м;

t_м – время от момента срабатывания конечного выключателя до начала механического торможения, с;

i – число механизмов с тормозами;

n_р – расчётная частота вращения электродвигателя, соответствующая v_г, мин^-1;

М_{ст.макс} – максимальный момент статической нагрузки, Н·м, для проверки выбега действующий в направлении движения (-); для проверки по сцеплению (+) на один двигатель;

‒ коэффициент трения колёс о рельсы;

‒ отношение числа тормозящихся колёс к общему числу колёс.

t_M= 0,12+t_Т, (6.16)

где t_Т – время срабатывания тормоза, принимается для электромагнитов 0,15-1,60с, электрогидравлических толкателей – 0,35-0,60с.

При несоблюдении неравенства должны быть увеличены либо устанавливаемый выбег S, либо отношение числа тормозящихся колёс к общему числу колёс.

6.2.4 Расчёт параметров источника постоянного тока для динамического торможения асинхронного двигателя [4]. Основные схемы включения статора в цепь постоянного тока приведены на рисунке 2. Наиболее предпочтительна схема, требующая самого меньшего тока при наиболее высоком напряжении.

а) б) в)

Рисунок 2- Схемы питания обмоток статора постоянным током при динамическом торможении.

Ток источника I_и, А, определяется

I_и= kI_ном, (6.17)

где k – коэффициент эквивалентного тока из таблицы 4;

I_ном – номинальный ток двигателя, А.

Напряжение источника постоянного тока U_и, В

U_и= , (6.18)

где s_ном – номинальное скольжение двигателя;

Р_ном – номинальная мощность двигателя, Вт.

Мощность источника постоянного тока Р_и, Вт, определяется

Р_и= U_иI_и, (6.19)

Таблица 4 – Значения коэффициента эквивалентного тока

	Схемы по рисунку 1
	а	б	в
Коэффициент эквивалентного тока k	1,22	1,41	2,12

3. Выбор электромагнитных муфт

При расчёте и выборе муфт учитывают как статические, так и динамические нагрузки. Статические нагрузки определяются передаваемым крутящим моментом в установившемся режиме работы при условии, что М_с=const. При подключении муфтой кинематической цепи к приводному двигателю или при изменении режима его работы муфта воспринимает и передаёт динамические нагрузки, возникающие при переходных процессах [7].

Крутящий момент, передаваемый муфтой, определяют от ведущего звена. При выборе электромагнитных муфт определяют крутящий момент М_крi, Н∙м, на i-том валу кинематической цепи, где установлена муфта

(6.20)

где Р_ном – номинальная мощность двигателя, Вт;

_i ‒ КПД передачи от вала двигателя до i-того вала кинематической цепи, при отсутствии данных КПД элементов могут приниматься в соответствии с рекомендациями таблицы 5;

n_i – частота вращения i-того вала, мин^-1.