- КРАТКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, МЕХАНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, ТРЕБОВАНИЯ К ПРИВОДУ
Фурма предназначена для подачи кислорода в конвертер с интенсивностью до 1500 м3/мин и представляет из себя выполненную из меди (для лучшей теплопроводности) трубу. Каждый конвертер имеет две водоохлаждаемые фурмы. Каждая фурма снабжена независимым электроприводом. Одна фурма рабочая, другая резервная. Масса фурмы достигает 4 тонн, масса контргруза 2,5 тонн. Максимальная скорость перемещения фурмы равна 1 м/сек. При подходе фурмы к зеркалу металла (так называют поверхность жидкого металла) для её точной остановки на заданном уровне скорость опускания снижается до 0,2 м/сек.
В качестве примера можно привести кинематическую схему приводов фурм конвертера на 250 тонн, по [1], стр. 68, рис. 27.
рис. 1.1
На кинематической схеме обозначено: 1 – фурма, 2 – звёздочка обводная (на старых моделях конвертеров применялась цепная передача, сейчас применяется тросовая), 3 – звёздочка приводная, 4 – силовой редуктор, 5 – тормоз, 6 – двигатель, 7 – кинематический редуктор, 8 – командоаппарат, 9 – сельсин.
На приводе каждой фурмы установлен двигатель постоянного тока с независимым возбуждением типа ДП-52 (32 кВт, 220 В, 760 об/мин). С приводом связаны многоцепной командоаппарат КАР-46 и два сельсина-датчика БД404А.
На рис. 1.2 приведена тахограмма работы заданного привода.
рис. 1.2
На рис. 1.3 приведена нагрузочная диаграмма работы привода.
рис. 1.3
Ммах = 0,9 кН*м, Uмах = 0,6 м/с, Uср = 0,5 м/с, Uмин = 0,1 м/с, темп разгона один и тот же = 0,5 м/с2.
Электрооборудование приводов фурм относится к потребителям первой категории (запитывается от двух независимых линий) и должно обладать максимальной надежностью, так как при отказе возможны аварии вплоть до взрыва при попадании воды в конвертер (при перегреве и расплавлении фурм – они ведь сделаны из меди, а рабочая температура конвертора 1550 – 16000 С) водоохлаждаемых фурм. На зарубежных фирмах иногда применяются устройства бесперебойного питания двигателей на аккумуляторах.
- ВЫБОР РОДА ТОКА И ВЕЛИЧИНЫ НАПРЯЖЕНИЯ
На металлургическом производстве применяются привода как переменного, так и постоянного тока. Каждый вид привода обладает своими достоинствами и недостатками.
Привод переменного тока прост и надёжен, удобен и нетребователен в эксплуатации, прост в подключении (основной род тока питающей сети: переменный 50 Гц), но возможности регулировки скорости вращения весьма ограничены и нет простого способа плавного регулирования частоты вращения.
Привод постоянного тока более гибок: двигатели по своему устройству допускают плавное регулирование скорости в широких пределах, большая допускаемая перегрузка по току позволяет создавать двигатели с высокой перегрузочной способностью, но за данные преимущества приходится платить большей сложностью двигателя (из-за наличия коллектора), трудностями в обслуживании и ремонте (машина постоянного тока слывет своенравной и капризной).
В соответствии с требованиями технологии, механизмы привода фурм должны позиционироваться с большой точностью (до нескольких сантиметров), что пока не могут обеспечить приводы переменного тока, хотя известны попытки замены приводов постоянного тока приводами системы ЧП-Д (частотный преобразователь – двигатель, например НПЧ – непосредственный преобразователь частоты). Таким образом для привода фурмы принимается привод постоянного тока.
Так как мощность двигателей привода невелика (менее 250 кВт), то для его питания потребуется напряжение < 1 кВ. Стандартный ряд напряжений допускает значения в 220, 440 и 660 В (на трамваях). Для крановых механизмов (и механизмов подьёма-спуска) применяются в основном 2 первых значения напряжения. Так как мощность двигателя по всей видимости, будет менее 100 кВт, для его питания хватит напряжения 220 В.
Вывод: применяется привод постоянного тока на напряжение 220 В.
- РАСЧЕТ И ВЫБОР МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ
3.1. Определяем эквивалентный момент двигателя, Мэ
(3.1)
где b = 0,7 – коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения во время переходных процессов (по [2], стр. 10)
Мп – пусковые моменты
Мт – тормозные моменты
Му – моменты установившихся режимов
Все значения моментов берутся из задания.
tп – время пусков
tт – время тормозных режимов
tу – время установившихся режимов
Все значения времен берутся также из задания.
= 0,65 кН*М
3.2. Определяем скорость двигателя, n, об/мин:
(3.2)
где i – передаточное соотношение редуктора
Д – диаметр барабана, м
n – скорость движения, м/сек.
Все данные берутся из задания.
В соответствии с заданной тахограммой выделяем 3 скорости: максимальную (0,6 м/с), среднюю (0,5 м/с) и минимальную (0,1 м/с).
3.3. Определяем продолжительность включения привода:
(3.3)
где tраб – общее время работы
tц – время цикла
по тахограмме tц=28,7 сек, tраб=12,7 сек.
3.4. Производим пересчет момента на стандартную продолжительность включения:
(3.4)
кН*М
Определяем мощность двигателя, Р, кВт
(3.5)
кВт
В соответствии с пунктом 2.1 методразработки ([2], стр. 4, пункт 2.1) увеличиваем мощность двигателя на 20% (из-за дополнительного нагрева пульсациями выпрямленного тока при системе ТП-Д).
Р / = Р*1,2 = 49,22*1,2 = 59,06 кВт
3.5. По каталогу, [3], стр. 408, приложение 7, выбираем двигатель постоянного тока типа П102. Его данные заносим в таблицу:
Таблица 3.1
| тип | Р, кВт | об/мин | Iя ном, А | U, В | Rя, Ом | Rов, Ом | Iов, А |
| П102 | 55 | 750 | 286 | 220 | 0,0311 | 32,5 | 4,84 |
Максимальная скорость двигателя в приводе равна 687,55 об/мин, а максимальная скорость самого двигателя 750 об/мин, то есть в относительных единицах:
nmax = nmax / nном = 687,55/750 = 0,92
Минимальная скорость:
nmin = nmin / nном = 114,59/750 = 0,15
Диапазон регулирования скорости:
nmax / nmin = 687,55/114,59 = 6,00
- ВЫБОР ОСНОВНОГО СИЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
4.1. Выбор тиристорного преобразователя
Учитывая, что использована однозонная система регулирования (т. к. максимальная скорость двигателя в относительных единицах nмах = 0,92 < 1), следовательно магнитный поток двигателя постоянный, определяем постоянную СмФ и строим нагрузочную диаграмму токов:
(4.1)
Н*м
По каталогу номинальный ток двигателя 286 А.
Мном = СмФ*Iном , СмФ = Мном / Iном (4.2)
СмФ = 700,33 / 286 = 2,45
Величина СмФ безразмерная и представляет собой постоянную, на которую надо умножить значения моментов на нагрузочной диаграмме для преобразования её в диаграмму токов.
Выполнив эти действия, получим диаграмму токов (на рис. 4.1).
рис. 4.1
Определяем среднеквадратичный ток двигателя.
(4.3)
= 251,43 А
В соответствии с пунктом 2.2 методразработки по [4], стр. 14, выбираем преобразователь типа КТЭУ 320/230 (комплектный тиристорный электропривод универсальный). Его данные: Id = 320 А, Ud = 230 В, l = 2,25 (значение перегрузочной способности взято из [2], стр. 5, табл. 1).
Нужно произвести проверку правильности выбора преобразователя, проверку соответствия трём условиям:
Id н ³ Iном 320>286
Ud н ³ Uном 230>220
l * Id н ³ Iмах 2,25*320=720>367,35
4.2. Выбор питающего трансформатора
Вторичное линейное напряжение трансформатора может быть определено по [2], стр. 6, табл. 4, для номинального напряжения преобразователя в 230 В оно составляет 205 В.
Максимальное значение выпрямленного напряжения по [2], пункт 2.3, стр. 6, определяется по формуле:
Ud0 = U2ф * кв (4.4)
где кв – коэффициент выпрямления, для трёхфазной мостовой схемы (в преобразователе КТЭУ применена такая) он равен 2,34.
Ud0 = 118,36*2,34 = 276,95 » 277 В
Определяем мощность трансформатора по формуле из [2], пункт 2.3, стр. 6:
S = кп * Ud0 * Idн (4.5)
где кп – коэффициент использования трансформатора, по [2], пункт 2.3, стр. 6, лежит в пределах 0,6…0,8 (при нагрузке в 60-80% от номинальной КПД трансформатора максимален).
S = 0,8 * 277 * 320 = 70900,46 В*А » 71 кВ*А
По [2], пункт 8.2.2, стр. 12, первичное напряжение при S < 250 кВ*А принимаем в 380 В.
По [4], стр. 271, табл. 8.5, выбираем трансформатор типа ТСП-100/0,7-УХЛ4, данные сводим в таблицу:
Таблица 4.1
| Тип | ном. S, кВ*А | вентильная обмотка
U, B I, А |
потери, Вт
Рх.х. Рк.з |
Uк, % | Iх,х, % | U1, В | ||
| ТСП-100/0,7-УХЛ4 |
93 |
205 |
262 |
440 |
2300 |
5,8 |
5 |
380 |
4.3. Построение регулировочной характеристики преобразователя, определение aмин , aмах
Определяем циклическую номинальную, максимальную и минимальную скорости:
w = n / 9,55 (4.6)
wном = nном / 9,55 = 750 / 9,55 = 78,53 рад/сек
wмах = nмах / 9,55 = 687,55 / 9,55 = 71,99 рад/сек
wмин = nмин / 9,55 = 114,59 / 9,55 = 12 рад/сек
Номинальное сопротивление двигателя (по закону Ома):
Rном дв = Uном / Iном = 220 /286 = 0,77 Ом
Определяем КПД двигателя номинальный:
hном = Рном / (Uном * Iном) = 55000 / (220 * 286) = 0,87 = 87 %
Сопротивление якоря:
zя дв = 0,5 (1- hном) Rном дв (4.7)
zя дв = 0,5 (1- 0,87) 0,77 = 0,05 Ом
Определяем постоянный коэффициент к*Фном :
к*Фном = (4.8)
к*Фном = = 2,62 В*с / рад
Определяем максимальное и минимальное напряжение преобразователя:
Ud = к*Фном * w (4.9)
Ud мах = 2,62 * 78,53 = 205,7 В
Ud мин = 2,62 * 12 = 31,43 В
Для определения минимального угла регулирования преобразователя принимается напряжение на 10% выше напряжения, обеспечивающего максимальную скорость, для обеспечения возможности форсировки по [2], стр. 13:
= Ud мах * 1,1 = 205,7 * 1,1 = 226,27 В
Используя арккосинусы можно рассчитать минимальный и максимальный углы регулирования преобразователя аналитическим методом, не строя регулировочную характеристику.
cos a = Ud / Ud 0 (4.10)
cos aмах = Ud мин / Ud 0 = 31,43 / 277 = 0,11 , aмах = 83,48 0
cos aмин = Ud мах / Ud 0 = 226,27 / 277 = 0,82 , aмин = 35,23 0
4.4. Выбор сглаживающего реактора
Определяем критическую индуктивность:
(4.11)
где n – число пульсаций выпрямленного напряжения, для мостовой схемы n = 6.
мГн
Определяем индуктивность цепи якоря:
(4.12)
где b – коэффициент, зависящий от компенсирования обмотки, 0,1…0,2
p – число полюсов, по [3] = 2
мГн
Определяем индуктивность реактора:
L р = L кр – Lя (4.13)
L р = 0,54 – 0,49 = 0,05 мГн
Так как требуемая индуктивность реактора крайне мала, то реактор можно не выбирать – ограничение зоны прерывистого тока будет обеспечено за счет собственной индуктивности якоря.
- ВЫБОР САР , СТАТИЧЕСКИЙ
РАСЧЕТ САР.
5.1 В соответствии с заданием строим двухконтурную схему САР с внешним контуром скорости и внутренним контуром тока. Для обеспечения заданного темпа разгона использован задатчик интенсивности. Принципиальная схема САР представлена в приложении, лист1.
Некоторые пояснения и упрощения: на схеме тиристорный преобразователь представлен как пропорциональное звено с постоянным коэффициентом усиления (что справедливо, если привод работает только в режиме непрерывного тока – что обеспечивается индуктивностью цепи якоря, по пункту4.4). Так как система регулирования однозонная и магнитный поток постоянен, то есть момент двигателя пропорционален току якоря, а скорость вращения пропорциональна ЭДС, то двигатель может быть представлен упрощенной функциональной схемой.
При построении системы в качестве датчика тока использован датчик типа S402A,
в качестве датчика напряжения (ДНС) использован датчик типа S402 со стандартным коэффициентом усиления 1,
в качестве ячейки гальванической развязки (ЯРГ) использован датчик напряжения типа S402 со стандартным коэффициентом усиления 1,
в качестве делителей использованы делители типа S400 (ДНЗ, ДНОС).
Резисторы в делителях выбираются путём расчёта.
В качестве тахогенератора выбран тахогенегатор с крутизной характеристики g = 0,15 В/об/мин.
Напряжение питания схемы составляет 24 В.
5.2 Расчёт датчика тока, ограничение регулятора скорости
По нагрузочной диаграмме максимальный ток 367 А. По [2], раздел 5, стр. 8, выбираем шунт типа ШС-75 на ток Iшном = 500 А. Номинальное падение напряжения при номинальном токе для шунтов этого типа составляет = 75 мВ.
Коэффициент шунта равен:
(5.1)
В/А
Принимая желаемый выход датчика при максимальном токе равным 10 В, определяем желаемый коэффициент датчика тока:
(5.2)
где Uш мах= Кш * Iмах = 0,15*10-4*367 = 0,055 В
Выбираем стандартный коэффициент датчика тока = 150, по номинальному ряду в [2], раздел 5, стр. 8.
Тогда выход шунта при номинальном токе двигателя равен:
Uд т ном = Ку дт * Кш * Iном (5.3)
Uд т ном = 150 * 0,15*10-4*286 = 6,44 В
При максимальном токе:
Uд т мах = Ку дт * Кш * Iмах (5.4)
Uд т мах = 150 * 0,15*10-4*367 = 8,26 В
Обеспечивая возможность форсировки и учитывая недоиспользование двигателя и преобразователя по перегрузочной способности принимаем ток ограничения на 20% выше максимального.
Iогр = Iмах *1,2 = 367 *1,2 = 440,4 А
U /д т мах = Uд т мах * 1,2 = 8,26 * 1,2 = 9,91 В
Принимаем сопротивление R11 = R9, то есть R11 = R9 = 20 кОм.
Ограничение регулятора скорости принимаем равным 10 В.
5.3 Расчёт цепи обратной связи по скорости, напряжения выхода задатчика интенсивности (ЗИ)
Определяем напряжение выхода тахогенератора при максимальной скорости двигателя:
Uтгмах = g * nмах (5.5)
Uтгмах = 0,15 * 687,55 = 103,13 В
Выбираем сопротивление делителя ДНОС, принимая Uвых = 8 В,
Rвых = 1 кОм.
(5.6)
, 2*R1 + 1 = 103,13 / 8 , R1 = 5,95 кОм
На рисунке 5.1 показана схема делителя ДНОС:
рис. 5.1
Выбираем резистор типа МЛТ из стандартного ряда из [2], раздел 5.2, стр. 8. Стандартный номинал резистора 6,2 кОм.
Определяем ток делителя (по закону Ома), значения сопротивлений подставляем в кОмах, ток получаем в мА:
мА
Определяем максимальное напряжение выхода делителя, также по закону Ома:
Uвых. мах = I*Rвых = 7,7*10 -3 *1*103 = 7,7 В
Выход датчика скорости на минимальной скорости. Для этого необходимо выход датчика на максимальной скорости поделить на величину, обратную диапазону регулирования или просто разделить на диапазон регулирования. По пункту 3.5 диапазон регулирования равен 6:
Uвых. мин = Uвых. мах / 6 = 7,7 / 6 = 1,28 В
Принимая сопротивление R12 равным R7, то есть R12 = R7 = 20 кОм, получаем необходимый выход задатчика интенсивности:
при максимальной скорости Uвых. ЗИ мах = 7,7 В
при минимальной скорости Uвых. ЗИ мин = 1,28 В.
5.3 Расчёт цепи задания
Учитывая, что коэффициент ЯРГ (ячейки развязки гальванической) = 1, рассчитываем делитель ДНЗ аналогично расчёту делителя ДНОС при желаемом напряжении выхода Uвых = 7,7 В и напряжении питания Uпит = 24 В:
R1 делителя ДНЗ = 1,06 кОм, Rстанд = 1,1 кОм типа МЛТ по [2], раздел 5.2, стр. 8.
Аналогично, максимальное напряжение выхода делителя равно:
Uвых. мах = I*Rвых
мА
Uвых. мах = I*Rвых = 7,5*10 -3*1*103 = 7,5 В
5.4 Расчёт параметров ЗИ
Темп разгона привода определяется по заданной тахограмме. Нарастание напряжения ЗИ определяется как отношение максимального напряжения на время разгона привода до максимальной скорости:
В/сек
Нужно рассчитать ёмкость конденсатора С1 . Принимаем напряжение ограничения Uогр = 5 В, R3 = 50 кОм.
(5.7)
Ф = 15,58 мкФ
Выход ЗИ при максимальной скорости составляет Uвых = 7,7 В, а напряжение задания Uвх = 7,5 В. Задаваясь сопротивлением R1 = 20 кОм, выбираем сопротивление R6 :
(5.8)
кОм
Получение минимальной скорости привода осуществляется путём введения сопротивления R2 в цепь задания, при этом выход ЗИ должен составлять Uвых = 1,28 В:
(5.9)
кОм
Поскольку кроме минимальной скорости (0,1 м/сек) есть ещё и средняя (0,5 м/сек), то необходимо поделить общее сопротивление R2 на два – сопротивление для получения средней скорости, назовём его Rср и сопротивление R2 в сложении с ним дающее 100,29 кОм.
Определим выход датчика скорости (и, соответственно, ЗИ) при средней скорости.
nср / nмах ; 527,96 / 687,55 = 0,77;
Uвых. ср = Uвых. мах * 0,77 = 7,7*0,77 = 5,93 В
По той же формуле определим значение Rср :
кОм
Столь малое значение сопротивления объясняется тем, что средняя скорость составляет примерно 80 % от максимальной, которая обходится без резистора вообще.
Итак Rср + R2 = 100,29 кОм, отсюда R2 = 100,29 – 5,97 = 94,32 кОм. Как это будет выглядеть, показано на рисунке 5.2:
рис. 5.2
Так как операционный усилитель А3 является инвертором и повторяет сигнал, лишь изменяя его знак, то сопротивления R4 и R5 выбираются одинаковыми и равными R4 = R5 = 20 кОм.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
