Описание технологического процесса

РЕФЕРАТ
     Работа содержит 5 таблиц и 31 рисунок. Для выполнения проекта использовалось 13 книг, 1 статья и 2 электронных ресурса.
     Ключевые слова: ТРАЙБ – АППАРАТ, ПРОКАТНЫЙ СТАН, АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, РЕДУКТОР, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ, ВЕКТОРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ, ПЕРЕХОДНЫЙ ПРОЦЕСС.
     В выпускной квалификационной работе выполнен расчет параметров электропривода трайб – аппарата, входящего в состав непрерывного прокатного стана «250». Стан располагается в сортопрокатном цеху Нижнесергинского метизно – металлургического завода и предназначен для производства сложных фасонных и сортовых профилей из заготовки сечением 100/100мм, длиной 2,5 – 3,3 м из углеродистых и низколегированных сортов сталей. 
     На основании заданных параметров была рассчитана нагрузочная диаграмма электропривода. Согласно нагрузочной диаграмме и тахограмме механизма, был выбран асинхронный двигатель переменного тока, а также выполнена его проверка по нагреву. Произведен выбор силового преобразователя и его проверка по перегрузочной способности. Произведен синтез системы управления двигателем трайб – аппарата и произведено моделирование цикла функционирования трайб – аппарата.







СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 Описание технологического процесса ……………………….……………….6
2 Формирование требований к электроприводу………………………...….….13
3 Расчет параметров электропривода………………….…………………...…..14
4 Проверка электродвигателя по нагреву и перегрузке…...…………………..24
4.1 Проверка двигателя по нагреву………………………………………….24
4.2 Проверка двигателя по перегрузочной способности…………………...26
5 Выбор силового преобразователя………………………...…………………..28
5.1 Описание преобразователя ………………………………………………28
5.2 Проверка преобразователя по перегрузочной способности…………....31
6 Разработка системы автоматического управления..…...................................32
6.1 Обоснование выбора системы автоматического управления………….32
6.2 Математическая модель силовой части………………………………….35
6.2.1 Описание математической модели силовой части………………...35
6.2.2 Расчет параметров математической модели силовой части………37
6.3 Синтез регуляторов системы автоматического управления……………42
6.3.1 Принципы построения систем подчиненного регулирования……42
6.3.2 Синтез блока компенсации………………………………………....43
6.3.3 Синтез регуляторов тока статора…………………………………...45
6.3.4 Синтез регулятора потокосцепления ротора………………………48
6.3.5 Синтез регуляторов момента и скольжения……………………….52
6.3.6 Синтез регулятора скорости………………………………………...54
6.4 Задатчик интенсивности…………………………………………………..64
6.5 Моделирование системы автоматического управления и анализ результатов…………………………………………………………………….66
7. Технико – экономическое обоснование проекта…………………………68
7.1 Вступительная часть ……………………………………………………..68
7.2 Капитальные затраты …………………………………………………….69
7.3 Текущие затраты …………………………………………………………71
7.4 Технико – экономические показатели ………………………………….73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ













ВВЕДЕНИЕ
     В выпускной квалификационной работе рассматривается трайб – аппарат прокатного стана «250» Нижнесергинского метизно – металлургического завода. 
     Для надежного и долгосрочного функционирования механизма необходимо сформировать четкие требования к электроприводу и произвести комплекс расчетов параметров выбранного электропривода. На основании этих расчетов производится выбор электродвигателя, который, в свою очередь, должен пройти проверку по нагреву и перегрузочной способности. Поскольку разомкнутые нерегулируемые системы электропривода характеризуются большими потерями и высоким энергопотреблением [4], а также не могут выполнить требования, предъявляемые к электроприводу, и не соответствуют технологическому заданию, в ходе работы будет выбран преобразователь для управления электрическим двигателем. Важным критерием для выбора преобразователя является не только его номинальная мощность, но и наличие системы управления, которая позволит поддерживать необходимые технологические режимы электропривода. После выбора преобразователя будет произведена его проверка по перегрузочной способности. Согласно технологическому заданию, электроприводу трайб – аппарата необходима система управления, которая позволит поддерживать постоянство электромагнитного момента асинхронного двигателя в тех случаях, когда происходит транспортировка заготовки. Соответственно, в ходе работы будет обоснован выбор системы управления и произведено ее математическое описания. Далее, будет произведен расчет математической части асинхронного двигателя. На его основании будет выполнен синтез регуляторов системы автоматического регулирования асинхронного двигателя трайб – аппарата. 
     
     
     1 Описание технологического процесса
     В июле 2004 года была установлена и запушена в эксплуатацию непрерывная обжимная 6-ти клетьевая группа фирмы «Danieli» стана «250». Стан располагается в сортопрокатном цехе Нижнесергинского метизно – металлургического завода. Мелкосортный стан “250” предназначен для производства сложных фасонных и сортовых профилей из заготовки сечением 100/100 мм, длиной 2,5 – 3,3 метра из углеродистых и низколегированных сортов сталей. Прокат поставляется длиной от 4 до 12м упакованный в пачки массой 3 – 5 тонн. Оборудование стана расположено в трех пролетах. Оборудование, служащее для деформации металла между вращающимися волками, называют основным, оборудование, предназначенное для выполнения прочих операций, называют дополнительным. Масса технологического оборудования составляет 4160 тонн.
     Выделяют следующие основные отделения и участки цеха: 
* Склад заготовок;
* Пролет нагревательных печей;
* Пролет стана; 
* Машинный зал;
* Вальцетокарная и ремонтно-механическая мастерская;
* Склад валков; 
* Склад готовой продукции.  
     Технологическая цепь стана «250» «НСММЗ» состоит из следующих участков:  
* Участок нагрева заготовки (рольганги загрузки, выгрузки заготовки в печь, нагревательная печь); 
* Участок проката заготовки (задающий рольганг, трайб-аппараты, прокатные клети, зачистные ножницы, аварийные ножницы, ножницы мерного реза, трасса термоупрочнения, петлевые столы);  
* Участок охлаждения (холодильник); 
* Участок отделки (ножницы холодного реза, вязальные машины, весы); 
* Склад готовой продукции.
     Для пояснения роли трайб – аппарата в прокатном цикле приведем схему расположения основного технологического оборудования непрерывного мелкосортного стана [7]:

     Рисунок 1 – Схема расположения основного технологического оборудования непрерывного мелкосортного стана
     Обозначения на рисунке:
     1 – загрузочная решетка;
     2 – устройство для загрузки заготовок;
     3 -  нагревательная печь;
     4 – разгрузочный рольганг;
     5 – трайб – аппарат;
     6 – маятниковые ножницы;
     7 – устройство для удаления окалины;
     8,9 – чертовая группа клетей;
     10 – ротационные ножницы;
     11 – промежуточная группа клетей;
     12 – ротационные ножницы;
     13 – горизонтальные клети чистовой группы;
     14 – вертикальная клеть чистовой группы;
     15 – комбинированные петлерегуляторы;
     16 – трайб – аппараты;
     17 – устройство для охлаждения проката с рольгангом;
     18 – ротационные ножницы;
     19 – холодильник;
     20 – правильная машина;
     21 – цепное перекладывающее устройство;
     22 – участок пакетирования фасонного проката;
     23 – участок пакетирования пруткового проката;
     24 – вязальные машины.
     Описание технологических процессов прокатных станов в металлургическом производстве подробно рассмотрены в [6]: заготовку на входе клети обжимают 2 вращающихся валка, на которых имеются специальные вырезы (калибры), куда и подается нагретая заготовка. Нагретая заготовка из печи посредством рольганга выгрузки попадает на линию прокатного стана. Для того, чтобы заготовка с определенной скоростью зашла в первую клеть, необходимо использовать трайб – аппарат, который с помощью двух роликов синхронизирует скорость заготовки со скоростью клети во избежание поломки валов и обеспечения надежного захвата вследствие существенной разницы в скоростях заготовки клети и на выходе печи, а также направляет нагретую заготовку на вход первой клети (Рис.1)	

     Рисунок 2 – Трайб – аппарат в составе линии прокатного стана
     Согласно рисунку, верхний подвижный ролик выполняет роль прижима, совершая вертикальные возвратно – поступательные движения при помощи пневмопривода. Привод верхнего ролика не рассматривается в данном проекте. Интерес представляет нижний ролик, расположенный на валу трайб – аппарата, который приводится в движение электрическим двигателем через встроенный редуктор. Редуктор, в свою очередь, понижает скорость на валу и увеличивает момент на выходе трайб – аппарата. Вращательное движение вала с помощью ролика преобразуется в поступательное движение заготовки. Масса одной заготовки равна 1,4 тонны.  
     Для объяснения режимов работы электропривода приведем типовую тахограмму трайб – аппарата (Рис.3). 
Рисунок 3 – Типовая тахограмма трайб – аппарата
     На рисунке изображена тахограмма трайб – аппарата с разделением по участкам технологического процесса:
* Участок 1. Работа электропривода на холостом ходу. Заготовка еще не зашла в зев трайб – аппарата.
* Участок 2. На данном участке происходит торможение до скорости клети, увеличенной на 10%. Это обуславливается опережением и согласованием скорости заготовки и скорости трайб – аппарата. Передний конец заготовки подается в зев трайб – аппарата одновременно с опусканием верхнего ролика трайб – аппарата, который предназначен для демпфирования удара . 
* Участок 3.  Транспортировка заготовки на скорости клети, увеличенной на 10%.
* Участок 4. Торможение до скорости проката клети. Происходит захват заготовки прокатными валками клети. Верхний ролик трайб – аппарата возвращается в исходное положение.
* Участок 5. Обработки заготовки клети.
* Участок 6. Заготовка покинула зев трайб – аппарата. Происходит разгон до скорости холостого хода.
* Участок 7. Ожидание следующей заготовки на скорости холостого хода. 
     Данные применяемого в трайб – аппарате редуктора:
     Тип………………………………………………………………...КЦ1 – 400 
     Вид……………………..коническо – циллиндрический двухступенчатый
     Передаточное число………………………………………………………20
     Допускаемая нагрузка на тихоходном валу, H...……………………18000 
     Номинальный крутящий момент на тихоходном валу, Hм…………5300
КПД………………………………………………………………………0,94 
Масса, кг …………………………………………………………………980
     Асинхронный двигатель АИР160М4
     Мощность, кВт………………………………………………………… 18,5
     Номинальная скорость, об/мин………………………………………..1470
     Номинальный ток, А……………………………………………………...43
     КПД……………………………………………………………………….0,9
     Cos?……………………………………………………………………...0,86
     Кратность пускового тока……………………………………………….7,2
     Кратность пускового момента…………………………………………..2,2
     Кратность максимального момента……………………………………..2,3
     Момент инерции, кг·м2 ………………………………………………...0,07
     Масса, кг …………………………………………………………………160
     Тахогенератор ТП80-20-0,2УХЛ4:
     Крутизна характеристики …………………………….0,02В/об/мин
     Максимальная частота вращения……………………. 3000об/мин
     Кинематическая схема трайб – аппарата представлена на рисунке 4:

Рисунок 4 – Кинематическая схема установки
     Обозначения на рисунке:
     1 – асинхронный двигатель АИР160М4;
     2, 3 – соединительные муфты;
     4 – нижний вал трайб – аппарата;
     5 – редуктор КЦ – 400. 
     
     
     
     
     
     2 Формирование требований к электроприводу
     На основании приведенного описания технологического процесса формируются требования к электроприводу.
     Согласно техническому заданию, линейная скорость движения заготовки и скорость холостого хода изменяются в диапазоне 0,5 ? 1 м/c, что соответствует диапазону 676,6 – 1353 об/мин для вращательного движения вала двигателя. Соответственно, система управления преобразователем должна иметь соответствующий диапазон регулирования. Учитывая сложность и точность прокатки, электропривод должен поддерживать заданную скорость с точностью 1%. 
     Со временем работы механизма образуются люфты и зазоры, соответственно, необходима такая система управления, которая смогла бы учитывать описанные негативные влияния. Также для точности регулирования скорости и момента необходимы датчики обратной связи, располагающиеся не только на двигателе, но и на выходном валу редуктора. 
     Электропривод работает в длительном режиме S1, продолжительность включения которого составляет 100%, согласно ГОСТ Р 52776-2007.








3 Расчет параметров электропривода
     Для правильного выбора двигателя и преобразователя электропривода необходимо рассчитать моменты и скорости механизма и привести их к валу двигателя, учитывая КПД всех элементов системы и передаточное число редуктора. На основании расчетов составляется тахограмма и нагрузочная диаграмма двигателя.

     Рисунок 5 – Тахограмма линейных перемещений нижнего валка трайб – аппарата
     На рисунке изображена тахограмма линейных перемещений нижнего валка трайб – аппарата. На ее основании будет рассчитана угловая скорость двигателя с учетом передаточного числа редуктора на каждом технологическом участке. Для удобства сведем время работы двигателя на каждом из участков в таблицу 1.
     Таблица 1 – Время работы двигателя по участкам тахограммы
Участок
t1
t2
t3
t4
t5
t6
t7
t8
t9
t.c
3
50
1,5
1
0,2
13
1,62
50
3
     
     Переход от поступательного движения к вращательному производится с использованием следующей зависимости:
     ,
     где ? – линейная скорость перемещения заготовки;
     ? – угловая скорость на выходе редуктора;
     R – радиус приведения, равный радиусу вала нижнего валка трайб – аппарата. 
     Рассчитаем угловые скорости на выходе редуктора, согласно тахограмме механизма. 
     Угловая скорость на участке t2 на выходе редуктора: 
     
     Угловая скорость на участке t4 на выходе редуктора:
     
     Угловая скорость на участке t6 на выходе редуктора:
     
     Рассчитаем моменты на выходе редуктора:
     Момент сопротивления холостого хода механизма:
     ,
     где mв – масса нижнего валка трайб – аппарата;
     g – ускорение свободного падения;
     R –радиус вала нижнего валка трайб – аппарата. 
     ?мех – КПД трайб – аппарата.
     .
     Момент сопротивления при транспортировке заготовки к рабочей клети:
     ,
     где mзаг– масса заготовки;
     g – ускорение свободного падения;
     R –радиус вала нижнего валка трайб – аппарата. 
     ?мех – КПД трайб – аппарата;
     µ - коэффициент трения.
     .
     Рассчитаем моменты инерции системы:
     Момент инерции механизма при работе на холостом ходу:
     
     где mв – масса нижнего валка трайб – аппарата;
     R – радиус вала нижнего валка трайб – аппарата. 
.
     Момент инерции механизма при подаче заготовки на вход рабочей клети:

     где mзаг – масса заготовки;
     R – радиус вала нижнего валка трайб – аппарата. 
.
     Приведем необходимые рассчитанные параметры электропривода к валу двигателя:
     Момент сопротивления холостого хода механизма, приведенный к валу двигателя:
     ,
     где Мс.хх – момент сопротивления холостого хода механизма на выходе редуктора;
     ?ред – КПД редуктора;
     i – передаточное число редуктора.
     .
     Момент сопротивления при транспортировке заготовки к рабочей клети, приведенный к валу двигателя:
     ,
     где Мс.раб – момент сопротивления при транспортировке заготовки к рабочей клети на выходе редуктора;
     ?ред – КПД редуктора;
     i – передаточное число редуктора.
     
     Угловая скорость на участке t2, приведенная к валу двигателя: 
     ,
     где ?хх - угловая скорость на участке t2 на выходе редуктора;
     i – передаточное число редуктора;
     ?ред – КПД редуктора.
     .
     Угловая скорость на участке t4, приведенная к валу двигателя: 
     ,
     где ?согл - угловая скорость на участке t4 на выходе редуктора;
     i – передаточное число редуктора;
     ?ред – КПД редуктора.
     .
     Угловая скорость на участке t6, приведенная к валу двигателя: 
     ,
     где ?нагр - угловая скорость на участке t6  на выходе редуктора;
     i – передаточное число редуктора;
     ?ред – КПД редуктора.
     .
     Момент инерции механизма при работе на холостом ходу, приведенный к валу двигателя:
     ,
     где Jмех - момент инерции механизма при работе на холостом ходу;
     i – передаточное число редуктора.
      .
     Момент инерции механизма при подаче заготовки на вход рабочей клети, приведенный к валу двигателя:
      ,
     где Jмех - момент инерции механизма при подаче заготовки на вход рабочей клети;
     i – передаточное число редуктора
      
     Для расчетов динамических моментов вычислим ускорения на участках разгона и торможения нагрузочной диаграммы:
     Угловые ускорения двигателя при разгоне и торможении до скорости холостого хода на участках t1 и t8 рассчитываются по формуле:
      
     где ?кон – конечная скорость;
     ?нач – начальная скорость;
     tр1 – время разгона на участке t1.
      .
     Угловое ускорение двигателя при торможении до скорости согласования на участке t3 рассчитывается по формуле:
      
     где ?кон – конечная скорость;
     ?нач – начальная скорость;
     tт3 – время торможения на участке t3.
      .
     Угловое ускорение двигателя при торможении до скорости проката на участке t5 рассчитывается по формуле:
      
     где ?кон – конечная скорость;
     ?нач – начальная скорость;
     tт5 – время торможения на участке t5.
      .
     Угловое ускорение двигателя при разгоне до скорости холостого хода на участке t7 рассчитывается по формуле:
      
     где ?кон – конечная скорость;
     ?нач – начальная скорость;
     tт7 – время торможения на участке t7.
      .
     Для построения нагрузочной диаграммы необходимо рассчитать моменты асинхронного двигателя на каждом участке технологического процесса. Момент двигателя на участках t2, t4, t6 равен моменту сопротивления механизма. Момент на участках t1, t3, t5, t7 равен сумме статического и динамического моментов. 
     Рассчитаем моменты двигателя на участках разгона t1 и t7:
     ,
     где Mс – статический момент на i-ом участке характеристики;
     Jд – момент инерции двигателя;
     Jмех.д – момент инерции механизма, приведенный к валу двигателя;
     ?i – ускорение на i-ом участке характеристики.	
     Момент двигателя на участке t1:
     .
     Момент двигателя на участке t7:
     
     Рассчитаем моменты двигателя на участках торможения t3 и t5 . В отличие от предыдущего случая меняется знак ускорения, и, соответственно, динамического момента:
     ,
     где Mс – статический момент на i-ом участке характеристики;
     Jд – момент инерции двигателя;
     Jмех.д – момент инерции механизма, приведенный к валу двигателя;
     Jнагр.д – момент инерции транспортировки заготовки, приведенный к валу двигателя;
     ?i – замедление на i-ом участке характеристики
     Момент двигателя на участке t3:
     .
     Момент двигателя на участке t5:
     
     Момент двигателя на участке t8:
     
     Согласно проведенным расчётам отобразим нагрузочную диаграмму и тахограмму двигателя:

     Рисунок  6 – Диаграммы двигателя
     а) нагрузочная диаграмма двигателя
     б) тахограмма двигателя
4 Проверка двигателя по нагреву и перегрузке
4.1 Проверка двигателя по нагреву
     Для точной проверки двигателя по нагреву и решении о допустимости выполнения им заданных производственных циклов требуется построение графика зависимости температуры двигателя от времени его работы, по которому производится сравнение максимальной температуры двигателя во время всего цикла и его допустимой температуры. На основании этих сравнений принимается решение о возможности эксплуатации выбранного двигателя.
     Для упрощения расчетов на практике применяются косвенные методы проверки двигателей по нагреву, которые не требуют построения графиков их нагрева.
     Существует четыре таких метода:
* Метод средних потерь
* Метод эквивалентного тока
* Метод эквивалентного момента 
* Метод эквивалентной мощности
     Самым точным является метод средний потерь, поскольку с точностью определяет тепловые потери и нагрев обмоток двигателя. Его производно й является метод эквивалентного тока, поскольку именно ток определяет нагрев обмоток двигателя. Для осуществления проверки воспользуемся методом эквивалентного момента. Метод предполагает использование подробной нагрузочной диаграммы, также присутствует возможность учета фиктивных моментов во второй зоне регулирования. Для более качественной и подробной проверки воспользуемся уточненным методом эквивалентного момента. В  данном случае будут учитываться такие факторы как: условия вентиляции, температура окружающей среды, отношение постоянных и переменных потерь, и т.д. [1].
     Расчетная формула метода эквивалентного момента:
.
     , где - коэффициент учета нестандартной температуры окружающей среды;
      - среднее значение относительного коэффициента теплоотдачи двигателя;
     - коэффициент распределения потерь, равный отношению условно постоянных и условно переменных потерь в номинальном режиме;
     - эквивалентный момент;
     - номинальный момент двигателя;
      - время i-го интервала;
     - время цикла.
     Расчет коэффициентов: 
     Согласно каталогу производителя двигателя и отсутствии нестандартных условий примем  
     При равенстве постоянных и переменных потерь в двигателе коэффициент 
     - формула для расчета относительного коэффициента теплоотдачи. 	
     Для закрытых самовентилируемых двигателей коэффициент  лежит в диапазоне от 0,45 до 0,55. 
     Для двигателей с принудительной вентиляцией коэффициент  принимается за 1. 
     Рассчитаем эквивалентный момент двигателя:

     Для того, чтобы двигатель прошел проверку по нагреву, эквивалентный момент не должен превышать номинальный:
   
     На основании номинального момента и рассчитанного эквивалентного момента произведем сравнения для анализа нагрева двигателя:
   78 < 117,8
   4.2 Проверка двигателя по перегрузочной способности
     Для окончательного утверждения выбранного двигателя необходимо произвести его проверку по перегрузочной способности. С целью определения максимальной перегрузочной способности двигателя рассчитаем номинальный момент асинхронного двигателя:
     
     Согласно расчетам в п.3, самым тяжелым режимом является режим т транспортировки заготовки на вход клети. Электромагнитный момент двигателя Мнагр.д в этом режиме равен 165 Нм. В паспортных данных двигателя указана перегрузочная способность, равная 2,3. Тогда максимальный момент, который может развить двигатель равен:
     
     Двигатель проходит проверку по перегрузочной способности в том случае, когда момент в самом тяжелом технологическом режиме не превышает максимальный кратный момент. 
      
     Соответственно, двигатель проходит проверку по перегрузочной способности.

















5 Выбор силового преобразователя
5.1 Описание преобразователя
     Выбор преобразователя обуславливается несколькими факторами: мощностью – она должна соответствовать мощности двигателя и перегрузочной способностью – в зависимости от требуемого технологического задания. В соответствии с пунктами 3 и 4 курсового проекта, асинхронный двигатель был выбран с определенным запасом, поэтому не требуется выбор преобразователя с большой кратковременной перегрузочной способностью. Кроме того, преобразователь может выбираться с учетом уже работающих на предприятии, поскольку обучение персонала работе с преобразователем фирмы, оборудование которой никогда не эксплуатировалось на предприятии, может быть довольно затратным. Также немаловажным фактором является совместная работа с системой автоматики уже действующей на предприятии.
     Исходя из этих факторов был выбран преобразователь фирмы Schneider Electric:
     Серия………………………………………………………………Altivar 71
     Наименование……………………………………………..ATV71HD18N4
     Мощность, кВт …………………………………………………………18,5
     Номинальное напряжение питания, В…………………………380 – 480
     Номинальный ток, А …………………………………………………..45,5
     Диапазон выходной частоты, Гц……………………………………1-599
     Частота коммутации, кГц…………………………………………... 1- 16 
     Фильтр ЭМС…………………………………………………...встроенный
     Тормозной модуль…………………………………………….встроенный
Согласно документации [15], приведем схему силовых цепей частотного преобразователя Altivar 71 (Рис. 7). 	
     В качестве выпрямителя в данном преобразователе используется диодный мост. Выбор преобразователя без активного выпрямителя был обоснован технологическим режимом, поскольку необходимость рекуперации энергии в сеть отсутствует. Такое решение удешевляет конструкцию и упрощает систему управления преобразователем. 
	При запуске электропривода ключ K1 разомкнут, и резистор R1 устраняет бросок пускового тока. По истечению переходного процесса, ток в установившемся режиме протекает через замкнутый ключ K1. 
	Для реализации тормозных режимов предусмотрен резистор R2. Энергия торможения рассеивается в качестве тепла после открытия транзистора VT7. 
     
       
Рисунок 7 – Принципиальная схема силовой части
5.2 Проверка преобразователя по перегрузочной способности
     Преобразователь можно использовать в том случае, если величина его максимального допустимого тока больше, чем величина максимального тока двигателя. При перегрузке в течении 60 секунд и длительности цикла порядка 300 секунд номинальный ток преобразователь может выдержать ток порядка 118,5 ампер. Соответственно, перегрузочная способность преобразователя при этих условиях равна 1,4.
     Ток двигателя в номинальном режиме, при работе на наибольшую нагрузку:
.
     Допустимый ток двигателя рассчитывается исходя из перегрузочной способности двигателя по току, указанной производителем в паспорте двигателя:
.
     Допустимый ток преобразователя при перегрузке в течении 60 секунд:

     Данный преобразователь можно использовать, так как его номинальный ток превышает ток двигателя в наиболее тяжелом технологическом режиме.







6 Разработка системы автоматического управления
6.1 Обоснование выбора системы автоматического управления
     Как было выявлено в предыдущей работе, при ступенчатом увеличении нагрузки на двигатель появляется просадка по скорости, что недопустимо для электропривода трайб – аппарата. Согласно технологическому процессу, для исследуемого механизма необходима система управления, способная поддерживать постоянную скорость при изменяемой нагрузке. 
     Для анализа асинхронного двигателя и выбора системы управления приведем схему замещения асинхронного двигателя при частотном способе управления.
Рисунок 8 - Схема замещения асинхронного двигателя при частотном способе управления.
     На Рис.8 изображена схема замещения асинхронного двигателя при частотном способе управления. Видно, что при увеличении частоты питающего напряжения увеличиваются индуктивные сопротивления статора и ротора, что влечет за собой рост падения напряжения на этих сопротивлениях.  
     Для компенсации падений напряжений на активном сопротивлении статора и индуктивных сопротивлениях статора и ротора выберем векторную систему управления с постоянством потокосцепления ротора, ?r = const. В первой зоне регулирования поток остается неизменным независимо от частоты питающего напряжения и нагрузки. Во второй зоне поток изменяется обратно пропорционально частоте при постоянстве ЭДС ротора, er = const.
     Законы первой зоны регулирования:

     Законы второй зоны регулирования:

     Механическая характеристика закона частотного управления с управляемым потокосцеплением ротора:

     На Рис. 9 представим типовую характеристику асинхронного двигателя при векторной системе управления с постоянством потокосцепления ротора.

Рисунок 9 - Пример статической характеристики АД при векторной системе управления
     Отличительной особенностью такой системы является теоретически неограниченная величина критического момента. Исходя из этого, на систему влияют только ограничения по перегреву, преобразователю и источнику питания.
     Далее предстоит выбрать тип системы векторного регулирования с постоянством потокосцепления ротора. Существует два варианта таких систем: с прямой ориентацией по полю ротора (транс-вектор) и с косвенной ориентацией координат по полю ротора. Преимуществами первой системы является малая чувствительность к изменению параметров ротора и замкнутая с регулированием по отклонению система автоматического регулирования потокосцепления ротора. Из недостатков можно выделить сложный алгоритм вычисления величины потокосцепления ротора. Вторая система имеет разомкнутую систему автоматического регулирования потокосцепления ротора с регулированием по возмущению. Более предпочтительной является первая система, но из-за невозможности измерения потокосцепления ротора выберем систему с косвенной ориентацией по полю ротора. 

Рисунок 10 – Предварительная структурная схема векторной системы управления с косвенной ориентацией координат по полю ротора.
     Выбранная система управления имеет следующий состав:
* Внутренняя комбинированная двухмерная САР преобразованных токов статора 
* Разомкнутая САР регулирования модуля вектора потокосцепления ротора
* Разомкнутая с регулированием по возмущению САР электромагнитного момента
6.2 Математическая модель силовой части
6.2.1 Описание математической модели силовой части
     Исходная математическая модель силовой части асинхронного электропривода:

     Для дальнейшего построения математической модели силовой части асинхронного двигателя используем вращающуюся относительно статора систему координат 0xy. Особенностью такой системы является то, что выбор угловой скорости вращения относительно статора двигателя производится из условия равенства с угловой скоростью вращения изображающих векторов.
     Тогда математическая модель силовой части асинхронного электропривода в подвижной относительно статора системе координат 0ху выглядит следующим образом:

     Для удобства построения модели асинхронно двигателя произведем ориентацию системы координат. Ориентация подразумевает совмещение одной из осей прямоугольной системы координат 0ху с опорным (ориентирующим) вектором. Для дальнейшего расчета совместим вектор потокосцепления ротора с осью Ох:

     После произведения процедуры ориентации математическая модель силовой части асинхронного двигателя имеет вид:

     При анализе представленной математической модели видно влияние перекрестных связей. Компенсация этих связей в дальнейшем будет учтена в п. 6 при расчете и синтезе блока компенсации. 
6.2.2 Расчет параметров математической модели силовой части
     Для анализа динамических свойств электромеханического преобразователя как объекта управления необходимо рассчитать параметры асинхронного двигателя, после чего, используя модель и базисные величины, описанные в [1], произвести моделирование разомкнутой системы электропривода трайб – аппарата. 
     Для расчета параметров нам потребуются параметры «Г» образной схемы замещения асинхронного двигателя на основе стандартного двигателя серии 4А с максимально приближенными номинальными данными.
     Необходимые для дальнейшего расчета данные можно найти в [3].
     Выбираем эталонный двигатель 4А160М4.
     Параметры Т-образной схемы замещения в относительных единицах:
     - индуктивное сопротивление взаимоиндукции;
      - активное сопротивление статора;
      - активное сопротивление ротора;
     - индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора;
      -  индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора.
     Перевод из сопротивлений из относительных единиц в Омы:
     Базисное сопротивление для перевода сопротивлений в относительные единицы:

     Индуктивное сопротивление взаимоиндукции:

     Активное сопротивление статора:

     Активное сопротивление ротора:

     Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора:

     Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора:

     Расчет номинального режима двигателя: 
     Номинальная угловая частота напряжения статора:

     Номинальная угловая частота вращения ротора:

     Номинальная угловая частота тока ротора:

     Расчет эквивалентных параметров в главной цепи двигателя:
     Индуктивность рассеяния обмотки фазы статора:

     Индуктивность рассеяния обмотки фазы ротора:

     Индуктивность взаимоиндукции обмоток статора и ротора:

     Полная индуктивность обмотки ротора:

     Полная индуктивность обмотки ротора:

     Эквивалентная постоянная времени цепи ротора:

     Эквивалентная постоянная времени цепи статора:

     Коэффициент связи ротора:

     Коэффициент связи статора:

     Эквивалентная индуктивность рассеяния фазы двигателя:

     Эквивалентное сопротивление фазы двигателя:

     Электромагнитная постоянная главной цепи двигателя:
     
     Механическая постоянная времени:
     
     Расчет параметров в относительных единицах. Базисные величины.
     Базисная угловая частота:
     
     Базисная угловая частота ротора:
      рад/с
     Базисный ток:
     
     Базисное напряжение:
     
     Базисный электромагнитный момент:
     
     Базисная мощность:
     
     Базисное потокосцепление:
     
     Базисное сопротивление:

     Базисная индуктивность:

     Базисная постоянная времени:

     Относительные параметры:
     Активное сопротивление обмотки статора:

     Индуктивность рассеяния обмотки статора:

     Активное сопротивление обмотки ротора, приведенное к цепи статора:

     Индуктивность рассеяния обмотки ротора, приведенная к цепи статора:

     Индуктивность взаимоиндукции обмоток статора и ротора:

     Коэффициент связи ротора:

     Эквивалентная индуктивность рассеяния двигателя:

     Эквивалентное сопротивление двигателя:

     Коэффициент затухания цепи ротора:

     Электромагнитная постоянная главной цепи двигателя:

     Эквивалентная постоянная времени цепи ротора:

6.3 Синтез регуляторов системы автоматического управления
6.3.1 Принципы построения систем подчинённого регулирования
     Синтез регуляторов системы управления будет производиться на основании математической модели асинхронного двигателя. Задачей синтеза является определение структуры параметров контурных регуляторов. Для выполнения процедуры синтеза используем типовую методику, описанную в [10].
     Cинтез многоконтурных систем автоматического управления осуществляется последовательно от внутреннего контура к внешнему. Контурный регулятор представляет собой последовательное корректирующее устройство, обеспечивающее требуемые параметры качества переходного процесса, такие как время переходного процесса и величина перерегулирования.......................