Тормозной генератор Gт1 (Gт2) может быть отдельной электрической машиной постоянного или переменного тока, навешенной на вал приводного двигателя М1 (М2). Тормозной генератор является дополнительной нагрузкой для двигателя. Механическая характеристика такой системы с включенным генератором представляет собой кривую, полученную при различных скоростях вращения сложением моментов приводного двигателя и тормозного генератора. Изменением сопротивления цепи ротора асинхронного двигателя или тока возбуждения тормозного генератора получают различные по жесткости и пограничной скорости вращения характеристики системы.
Электропривод ДСВ с тормозными генераторами получил ограниченное применение из-за большого количества электрических маши (их четыре), а значит, из-за повышенного веса и габаритов установки.
Электрический привод с тиристорным управлением ДСВ (поз. 4 в табл. 1) получил такое название из-за того, что управление скоростью вращения электродвигателей М1 и М2 с фазным ротором производится путем управления отпиранием тиристоров в инверторах асинхронных вентильных каскадах Ав1 и Ав2.
Такой привод нашел на судоходных шлюзах широкое применение как экономичный, высоконадежный, плавно и широко регулируемый бесконтактный электропривод для ПОВ, ДСВ и затворов водопроводных галерей.
Обоснование выбора типа проектируемого
электропривода ДСВ
Анализ достоинств и недостатков электроприводов, применяемых в настоящее время для ДСВ шлюзов, должен быть положен в основу обоснования выбора типа электропривода, который будет разрабатываться и будет представлен электрическими схемами в курсовом проекте.
Выбираем тип электропривода – электрический привод с тиристорным управлением ДСВ. Данный тип электропривода ДСВ обладает рядом преимуществ: экономичный, высоконадежный, плавно и широко регулируемый бесконтактный электропривод для ПОВ, ДСВ и затворов водопроводных галерей.
Построение структурной схемы проектируемого
электропривода
Через построение структурной схемы электропривода ДСВ необходимо представить электропривод в целом, состоящим из нескольких функциональных частей, которые должны входить в состав электропривода согласно определению электропривода.
Рекомендуется использовать следующее исходное представление: автоматизированный электропривод (АЭП) - это электромеханическая система, содержащая электродвигательное устройство, передаточное устройство и систему управления; электропривод предназначен для приведения в движение исполнительных органов машины и управления этим движением.
На структурной схеме проектируемого электропривода должны быть конкретизированы:
функциональные части передаточного устройства, входящие в состав кинематической цепи привода;
функциональные элементы силовой электрической части электропривода, включая электродвигатели;
компоненты системы управления с обратными связями и пультом управления, на котором размещаются органы управления двустворчатыми воротами и средства отображения информации о реализуемом технологическом процессе.
Структурная схема привода представлена на рис. 2.2.
Рисунок 2.2. Структурная схема ЭП с тиристорным управлением
Обозначения:
U – источник энергии; М1, М2 – электродвигатели; А1, А2 – асинхронно-вентильные каскады; Т1, Т2 – трансформаторы напряжения; СИФУ1, СИФУ2 – системы импульсно-фазового управления; ПЛК – программируемый логический контроллер; ЧО – человек-оператор; Р1, Р2 – редукторы; ОЗП1, ОЗП2 – открытые зубчатые передачи; КШМ1, КШМ2 – кривошипно-штанговые механизмы; СВ1, СВ2 – створки ворот; ДП1, ДП2 – датчики положения.Обоснование выбора типа проектируемого
электропривода ДСВ
Построение структурной схемы проектируемого
электропривода
РАСЧЁТ СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК И МОЩНОСТИ
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПРИВОДА
Расчет статических нагрузок привода ДСВ выполняется с целью последующего выбора электродвигателей привода по мощности. Исходные данные для выполнения этого этапа проектирования приведены в задании на курсовое проектирование.
В электроприводе двустворчатых ворот предусматриваются две одинаковые кинематические цепи. В состав каждой кинематической цепи входят: 1) вал рабочего электродвигателя, 2) редуктор, 3) открытая зубчатая передача, 4) кривошипно-штанговый механизм. Рабочим органом у кинематической цепи является створка ворот. Массогабаритные характеристики левой и правой створок ворот одинаковые.
В качестве рабочих двигателей привода ДСВ применяются электродвигатели. из серии крановых или металлургических двигателей переменного тока и двигатели постоянного тока серии Д. Для частотно-регулируемых электроприводов применяются электродвигатели с короткозамкнутым ротором, выбираемые вместе с преобразователем частоты.
К эксплуатационным режимам относятся:
- закрытие ворот по определенной программе створения полотен ворот;
- открытие ворот.
Открытие и закрытие ворот осуществляются при условии, что уровни воды в камере шлюза и в бьефе (для рассматриваемого шлюза в нижнем бьефе) выровнены. В настоящее время команда на открытие (или закрытие) двустворчатых ворот, подаваемая с центрального пульта управления шлюза, разрешена для исполнения при перепаде уровней до 0,4 м. Такой гидростатический напор на створку ворот вызывает значительное увеличение сопротивления перемещению створки.
Составляющие результирующей нагрузки
Статические нагрузки, противодействующие перемещению створок ворот при закрытии и открытии ворот, характеризуются моментами сил относительно оси вращения створки:
МТ – момент сил трения в пяте и гальсбанте, Нм;
МВ – момент силы от давления ветра на выступающую из воды площадь створки, Нм;
МУ – момент силы от перепада уровней по разные стороны створки, Нм;
ММ – момент силы от действия присоединенных масс воды, Нм.
Алгебраическая сумма перечисленных моментов сил составляет результирующий момент (МС), определяемый по формуле
Расчет момента сил трения в пяте и гальсбанте
Момент сил трения в пяте и гальсбанте МТ определяется по формуле
где dП, dГ - диаметр гриба пяты и диаметр цапфы гальсбанта, м (если нет отдельных рекомендаций, принимаются равными 0,2 м);
FП, FГ - нагрузки в пяте и гальсбанте, Н;
fП, fГ - коэффициенты трения в пяте и гальсбанте (принимаются равными 0,25 и 0,5 соответственно).
Нагрузка в пяте (FП) принимается равной суммарному весу (G) створки и мостика. Если отсутствует информация о весе створки и весе мостика, то можно воспользоваться приближенной формулой:
НС - высота полотна створки, м (задана в исходных данных на курсовое проектирование);
bМ - ширина мостика створки, м (принимается равной 0,8…1,0 м);
рМ - удельное давление Нм-2 (принимается равным 4000 Нм-2).
На упрощенном рис. 3.1 показано действие рассматриваемых сил.
Рисунок 3.1. Отображение нагрузок в пяте и гальсбанте
УНБ - уровень нижнего бьефа, УВБ - уровень верхнего бьефа
Первое слагаемое в выражениях представляет собой эмпирическую формулу А. Р. Березинского для приближенного вычисления веса створки.
При известной ширине В камеры шлюза и известном значении предельного угла θmax поворота створки из положения «ворота открыты» (θ=0) до положения «ворота закрыты» (θ=θmax) длина створки может быть вычислена по формуле
Величина θmax задана в исходных данных на курсовое проектирование в пределах от 70о до 75о.
Нагрузка в гальсбанте (FГ) может быть определена по формуле
Силы FП, FГ и момент МТ не зависят от угла θ поворота створки.
Расчет момента сил от ветровой нагрузки
Момент сил МВ от ветровой нагрузки зависит от положения створки ворот (угла θ) и от направления и скорости ветра. При расчетах предполагается, что скорость ветра направлена вдоль оси камеры шлюза; скоростной ветровой напор может достигать значения рВ=150 Нм-2.
Сила воздействия ветра на створку определяется по формуле
где КО – коэффициент обтекания (принимается равным 1,4);
S = lС(НС–hС) – наветренная площадь створки, м2;
hС - заглубление створки, м (расстояние от нижней кромки ворот до уровня нижнего бьефа УНБ).
Момент силы от давления ветра МВ = FВ(0,5lС) на выступающую из воды площадь створки определяется на основании по формуле
Расчет момента силы от перепада уровней воды
Момент силы от перепада уровней воды МУ существенно зависит от положения створки ворот при углах поворота створки θ > 50о. При значениях θ, близких по величине к θmax, момент от перепада уровней воды вычисляется по формуле
где γ - удельный вес воды, Нм-3 (γ = 9,8·103 Нм-3);
Δh – расчетный перепад уровней воды, м (принимается равным 0,1…0,2 м).
Для аналитического расчета МУ как функции от θ (град), представим расчетную формулу в виде:
Можно принять Kh= 1.
Расчет момента силы от действия
присоединенных масс воды
Момент силы от действия присоединенных масс воды ММ с достаточной для инженерных расчетов точностью можно определить по формуле
где КМ – коэффициент, численное значение которого зависит от кинематической схемы механической передачи (принимается равным 0,15…0,20, при этом большее значение соответствует кривошипно-штанговой передаче, а меньшее – зубчато-реечной передаче).
По результатам расчетов необходимо построить графики зависимостей моментов МТ, МВ, МУ, ММ от угла θ (в диапазоне 0 ≤ θ ≤ θmax ), а также график МСТ = МТ + МВ + МУ + ММ для наиболее тяжелого режима перемещения створки и график МСЛ = МТ - МВ - МУ + ММ для наиболее легкого режима, когда моменты МВ и МУ способствуют требуемому перемещению створки. Примерный вид графиков приведен на рис. 3.2.
Рисунок 3.2. Графики моментов сил, действующих на створку ворот
В легком режиме закрытия (открытия) двустворчатых ворот момент МС суммы сил, действующих на створку, убывает (возрастает) с увеличением (уменьшением) угла θ поворота створки и при некоторых значениях θ (больших по величине углах θ) способствует соответствующему перемещению створки. Когда ворота закрыты и уровни воды в камере и в нижнем бьефе выровнены, действие моментов МВ и МУ может вызвать расхождение створок, если не заторможены механические передачи приводов.
В тяжелом режиме перемещения створки момент МС противодействует перемещению створки как при закрытии, так и при открытии ворот. Момент МС тем больше по величине, чем больше угол θ.
Расчет среднего значения момента сил
Среднее значение момента сил МСср, действующих на створку ворот при закрытии и открытии ворот, вычисляется по формуле
На рис. 3.2 пунктирной горизонтальной линией показано среднее значение момента МСср для тяжелого режима перемещения створки.
Предварительный расчет мощности электродвигателя
Мощность Р в кВт электродвигателя привода, необходимая для перемещения створки ворот, определяется для тяжелого режима по формуле
где ωСср - среднее значение угловой скорости (с-1) перемещения створки при закрытии (открытии) ворот;
η – коэффициент полезного действия (КПД) механической передачи (принимается равным 0,9).
Средняя скорость перемещения створки определяется из условия
где tC – время (с), за которое перемещается створка при закрытии (открытии) ворот (величина tC задана по исходным условиям как продолжительность закрытия tзак или открытия tотк ворот: tC = tзак = tотк).
Основным типом двигателей, рекомендуемых для приводов технологических механизмов шлюза, являются крановые электродвигатели MTF и MTKF и металлургические двигатели MTH и MTKH переменного тока. По каталожным данным двигателей для режима ПВ=25% намечается к применению двигатель ближайшей меньшей мощности. При наличии каталожных данных электродвигателей только для основного номинального режима при ПВ=40% двигатель может быть выбран по этому режиму, но расчетная мощность РД двигателя в этом случае должна быть пересчитана на ПВ=25%. Можно воспользоваться приближенной формулой
где Р – мощность, определяемая по формуле выше, ε25, ε40 - продолжительности включения двигателя в относительных единицах при ПВ=25% и ПВ=40%. В этом случае получим РД = 0,79Р.
Для предварительно выбранного двигателя определяем синхронную частоту вращения n0 (об/мин) и максимальный момент МДmax (Нм), начальный пусковой момент МДп.
Таблица 2
Краново-металлургические двигатели переменного тока с фазным ротором: 380 В, 50 Гц, ПВ=40%
| Тип двигателя | P, кВт | N, об/мин | I1, A | cos𝜙 | I2, A | Iхх, А | Mmax, Нм | r1, Ом | X1, Ом | r2, Ом | X2, Ом | E2к, В | J, кг·м2 |
| 4MTF(H) 112LB6 | 3,7 | 900 | 11,2 | 0,79 | 13,8 | 7,7 | 88 | 1,55 | 1,92 | 0,462 | 0,217 | 190 | 0,045 |
Определяем синхронную частоту вращения n0 по формуле
где pп – число пар полюсов машины, равное 3 для нашей выбранной машины (т.к. N = 900 об/мин).
Найдем максимальный и начальный пусковой моменты предварительно выбранного электродвигателя.
Максимальный момент вычисляется по зависимости
где Uф – напряжение фазы двигателя, равное 380 В;
ω0 = (πn0)/30 = 104,72 с-1 – синхронная скорость вращения, с-1;
r1 – активное сопротивление фазы статора двигателя, Ом;
хкз – индуктивное сопротивление фазы машины, Ом, которое определяется суммой первичного и вторичного приведенных реактивных сопротивлений рассеяния.
В свою очередь, приведенное активное и индуктивное сопротивление фазы ротора x2’ равняется
где k – коэффициента трансформации двигателя.
где
В – фазная электродвижущая сила неподвижного ротора, В.Пусковой момент вычисляется как
где sкр – критическое скольжение двигателя.
Для уточнения мощности электродвигателя необходимо определить передаточное отношение кинематической цепи механической части электропривода.