Курсовая работа: Выбор и расчет электроприводов насосов ГД судна СРТМ

- допустимый ток на кабели;

k1=1 - поправочный коэффициент (табл. 32, [8]);

к2=0.85 - поправочный коэффициент на количество работающих кабелей, в земле в трубах или без.

Выбираем сечение жил 95 мм2 для номинального тока I_Н. =255 ампер.

Проверим падение напряжения в кабеле длиной 100 м

где - проводимость,

- удельное сопротивление.

и составляет 3.75 процента от напряжения питания. Выбираем кабель FG7R-0.6/1 3х95 мм²+ 1х50 мм².

Кабель состоит:

- проводник: медный;

изоляция жил выполнена из этилпропиленовой резины;

наполнитель: материал, с низким выделением газов;

внешняя изоляция: ПВХ.

Технические характеристики:

- напряжение номинальное: 0,6/1 киловольт;

температура рабочая: до 90°цельсия;

температура при коротком замыкании: 250°цельсия;

-минимальная температура: 0°.

Применение:

- неподвижный монтаж вне помещений, прокладка в земле.

К особым характеристикам относится хорошая сопротивляемость к индустриальным маслам.

Внешняя изоляция имеет серый цвет.

Выбор защитной аппаратуры

В качестве защитной аппаратуры электроустановок применяются либо плавкие предохранители, либо автоматические выключатели и электромагнитными расцепителями.

Автоматически выключатель выбирают исходя из номинального тока, а настройку тока расцепителя производят согласно допустимым токам перегрузки и короткого замыкания.

Выбираем выключатель автоматический с электронным расцепителем TеаmВreаk ХS400SЕ-С 250А фирмы ТЕRASАКI [20],

- номинальное напряжение 380 вольт;

- номинальный ток 250 ампер.

Рисунок 10- Автоматический выключатель TеаmВreаk ХS400SЕ-С 250А

5. Моделирование системы управления электропривода

Проектируемая система является одноконтурной системой управления, с одним контуром давления.

Схема системы показана на рисунке 11.

Рисунок 11 - Структурная схема системы управления давлением

На схемерегулятор давления РД.

К_Д - коэффициент определим по формуле:

К_ДД - коэффициент определим по формуле:

Расчет параметров передаточных функций объекта управления [22].

Объект управления можно описать функциональной схемой (рисунок. 12).

Рисунок 12 - Функциональная схема

На рисунке следующие обозначения:

асинхронный двигатель АД;

центробежный насос ЦН;

напряжение статора U_s;

f_s - частота тока статора;

- угловая скорость;

M_с - статический момент;

H_нас - напор на выходе;

H_вх - напор на входе;

Q - производительность;

S_г - гидравлическое сопротивление магистрали, с²/м⁵.

Нагрузка центробежных насосов, вентиляторов называется нагрузкой вентиляторной. Статический момент в таких механизмах зависит в основном от скорости вращения колеса. Для вывода зависимости моментов сопротивления на валу электродвигателя от его скорости вращения нужно иметь математическое выражение характеристик насоса и иметь характеристики трубопровода.

Главными параметрами насоса это подача и напор.

Подачей Qэто объем жидкости, который подаётся насосом за единицу времени.

Величина напора Н определяется разностью содержания энергии в одном килограмме жидкости на участке от входа до выхода.

Дифференциальное уравнение насоса имеет вид

,

m - масса воды в насосе и трубопроводах;

g -ускорение;

- плотность. Согласно уравнению, можно составить схему (рисунок 13).

Рисунок 13 - Структурная схема

Приведенная схема является излишне громоздкой и требует учитывать множество параметров. Для решения задач по автоматизации нужно эту схему линеаризовать, используя подобия

Q₂ = Q_H, H₂ = H_H, ₂ = _H; Q₁ = Q_*, H₁ = H_*, ₁ = _*;

где Q_H, H_H, _H - номинальные значения всех параметров насосной станции;

Q_*, H_*, _* -значения параметров.

Тогда уравнение будет иметь вид:

Значения подачи и напора насоса выразим посредством скорости на валу электродвигателя

Если не учитывать инерцию преобразователя частоты и инерцию электромагнитных цепей электродвигателя, считая, что они на порядок меньше, чем постоянная времени привода, и связь объекта с электроприводом через момент, считая, что жесткость характеристики двигателя высокая, то структурную схему можно линеаризовать и упростить (Рисунок 13).

Вычислим корень уравнения;

- постоянный коэффициент.

Гидравлическая сеть и насос - инерционные звенья, они могут быть записаны апериодическим звеном:

- коэффициент преобразования,

- постоянная времени

Насос -- это нелинейная сложная система, а мы работаем в области малых отклонений, линеаризуем коэффициент передачи этого насоса.

Значение с. Вследствие этого, при синтезе системы такой незначительно постоянной времени вполне допустимо пренебречь и полагать, что насос является безинерционным звеном:

Тогда модель насоса примет вид, который показан на рисунке 14.

Рисунок 14 - Модель насоса

Руководствуясь Т-образной схемой замещения и схемой динамического обобщенного электрического двигателя, производится математическое создание асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и производится разработка его модели в динамике.

Рисунок 15 - Схема замещения асинхронного двигателя

Параметры этой схемы замещения определим по формуле:

Где X - индуктивное сопротивление;

R'₂, X'₂ - активное и индуктивное сопротивление обмотки ротора, которые приведены к обмотке статора;

R^'₁, X^'₁ - активное и индуктивное сопротивление обмотки статора;

X₁, X^''₂, R₁, R^''₂ - сопротивление статора и сопротивление ротора;

U_1фн, I_1фн - номинальное фазное напряжение в вольтах и тока в амперах.

При математическом описании асинхронного двигателя, как объекта управления, можно принять следующие допущения:

- в двигателе намагничивающие силы распределяются точно синусоидально вдоль всей окружности зазора;

- отсутствуют потери в “стали”;

- обмотка статора и обмотка ротора симметричны и сдвинуты на 120??относительно друг друга.

- отсутствует насыщение магнитных цепей.

Преобразователь частоты -- это нелинейный дискретный объект с довольно ограниченной управляемостью, но можно говорить, что характеристика ПЧ, в качестве нелинейного объекта не сказывается существенно на работе системы. Потому что частота среза в контуре регулирования, находится ниже частот, которые могут оказать существенное влияние на динамику транзисторного преобразователя, и переходные процессы в системе по времени заметно превышают период дискретизации. Зачастую, выпрямитель во время разработки систем управления приводами представляют в виде некого апериодического звена, который имеет коэффициент передачи К_в и постоянной времени Т_в, а инвертор и совсем как безинерционное звено К_и

Для того, чтобы синтезировать регуляторы системы управления будем использовать линеаризованную модель преобразователя (рисунок 16):

Рисунок 16 - Линеаризованная модель

Где К_ПЧ - коэффициент усиления;

Т - постоянная времени.

Трехфазный асинхронный электродвигатель подключен к симметричной синусоидальной сети напряжением

Где U_m - амплитуда питающего напряжения;

f₁ - частота.

Рисунок 17 - Структурная схема

Перейти к системе координат () можно на основании соотношений (Рисунок 18)

Рисунок 18 - Преобразование напряжений

Рисунок 19 - Структурная схема ПЧ-АД

При исследовании этих переходных процессов был использован пакет математического моделирования Simulink 4.0, который входит в систему МАТLAB 6.5R13 и для этого собрана схема системы ПЧ. В этой структурной схеме Subsystеm представляет из себя ПИД-регулятор.

где - ток статора номинальный.

Взаимная индуктивность:

Гн

Вычислим индуктивность статора:

Гн

Вычислим индуктивность ротора:

Гн

где коэффициент передачи:

Рисунок 20 - Структурная схема

Где К_ПЧ =3,125 Гц/mА, - коэффициент усиления ПЧ,

f_1H = 50 Гц - частота,

I_З = ток задания

Т = постоянная времени.

Для реальных систем Т = 0,008 0,01 с, принимаем Т = 0,01.

р - число пар полюсов;

рад/с - холостой ход;

- номинальная скорость;

- номинальное скольжение;

- критическое скольжение;

где л- отношение момента максимального к моменту номинальному,

- коэффициент передачи;

- постоянная времени электромагнитная;

- модуль жесткости;

- момент инерции суммарный;

- постоянная времени электромеханическая

На основании полученных параметров, наша передаточная функция примет вид:

Важной частью в системе регулирования напора -- это датчик давления. Его выбираем, ориентируясь на номинальный напор насоса. Сделаем перерасчёт номинального напора насоса в номинальное давление:

.

На основании расчёта выбираем датчик Метрaн 100ДИ на давление 1 МПа. С целью повышения защиты от помех, датчик давления снабжён токовым интерфейсом. Информация о давлении преобразуется в ток. Ток при максимальном давлении, который равен 20 мА, и при минимальном давлении равен 4 мА. Выполним расчёт коэффициента передачи датчика. Максимальный напор:

.

Коэффициент передачи:

.

Задание напора будет приходить в виде тока, который имеет максимальную величину в 20 мА, а минимальную 4 мА, поэтому в канале задания появится коэффициент, который равняется обратному значению от коэффициента передачи:

.

Синтезирование контура регулирования

Проведем синтез контура регулирования давления при помощи метода последовательной коррекции. Выполним настройку контура на модульный оптимум.

В этом случае передаточная функция будет иметь вид:

Для того чтобы сделать синтез регулятора давления, можно использовать задание желаемой функции для разомкнутой системы , в этой функции компенсированы все постоянные времени, исключив их из разомкнутого контура. Аналогичным путем можно исключить из разомкнутого контура и все коэффициенты усиления, а для того, чтобы устранить статическую ошибку, ввести в контур интегрирующий элемент с очень малой постоянной времени.

Таким образом, исходный разомкнутый контур регулирования можно заменить контуром результирующим, который обладает общим коэффициентом усиления, и который равен , но который обладает астатизмом и который обеспечивает высокое быстродействие, вследствие малости величин постоянных времени.

То есть, желаемую передаточную функцию разомкнутой системы можно представить в виде:

В этом случае передаточная функция примет такой вид:

Очевидно, что эта передаточная функция и есть пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД - регулятор) с соответствующим коэффициентом усиления, который пропорционален , интегральной , а также и дифференциальной части регулятора.

Рассчитаем по формулам составляющие регулятора давления:

,

,

Подставив значения:

Для того, чтобы смоделировать систему управления насосной станции воспользуемся приложением SIМULINК, который входит в пакет программного обеспечения МАТLAВ.

Модель состоит из следующих основных элементов:

- из модели векторной системы управления;

- из модели асинхронного двигателя.

Пакет программ SIМULINК является частью программного комплекса, который предназначен для математического моделирования как линейных так и нелинейных систем и устройств. Они представлены функциональной схемой, которая именуется S-моделью. При этом возможны разные варианты для математического моделирования: в области времени, в области частоты, с событийным управлением, основываясь на спектральных преобразованиях Фурье, и используя метод Монте-Карло.

Структурная схема такого асинхронного двигателя показана на рисунке 21.

Рис. 21 - Структурная схема

Управляющее воздействие, это напряжение ток и потокосцепление являются векторными величинами;

Управляющее воздействие состоит из двух независимых компонентов: амплитуды и частоты, которые могут воздействовать на поток двигателя и на синхронную скорость;

Асинхронный двигатель представлен двухмерным, динамическим, нелинейным объектом управления;