Дипломная работа: Автоматизированный привод станка-качалки на ОАО "Татнефть"

Разработка структурной схемы силовой части.

Силовая часть электропривода состоит из преобразователя частоты и электродвигателя. Структурная схема силовой части представлена на рисунке 2.1

Рис. 2.1 Структурная схема силовой части электропривода

Динамические свойства преобразователя частоты совместно с блоками измерения и преобразования координат могут быть упрощенно учтены апериодическим звеном с передаточной функцией:

 (2.17)

где KПЧ эквивалентный передаточный коэффициент преобразователя.

 (2.18)

где Udмакс номинальное фазное напряжение на выходе преобразователя, В; Uупр макс максимальное напряжение системы управления, В.

Численное значение коэффициента передачи преобразователя частоты:

ТТЧ эквивалентная постоянная времени преобразователя, с. Она складывается из времени задержки включения ШИМ и времени, затрачиваемого процессором на преобразование и вычисление сигналов (Тпр=1 мс).

Время задержки ШИМ определится:

 (2.19)

Численное значение постоянной времени преобразователя:

 (2.20)

Электродвигатель представляется передаточными функциями электромагнитной и механической частей, представленных апериодическим и интегрирующим звеньями, соединенными последовательно.

Электромагнитная часть представляет из себя передаточную функцию от напряжения статора к току статора:

 (2.21)

где Rсуммарное сопротивление двигателя определяется по формуле:

 (2.22)

здесь Rф2 активное сопротивление выходного фильтра на выходе АИН, Ом;

R1 активное сопротивление обмотки статора, Ом;

R2 приведенное активное сопротивление обмотки ротора, Ом;

k2 коэффициент электромагнитной связи ротора.

Взаимная индуктивность асинхронного двигателя определится:

 (2.23)

Индуктивность рассеяния статора:

 (2.24)

Полная индуктивность фазы статора:

 (2.25)

Индуктивность рассеяния ротора:

 (2.26)

Полная индуктивность фазы ротора:

 (2.27)

Индуктивность рассеяния асинхронного двигателя:

 (2.28)

или по приближенной формуле

 (2.29)

В дальнейших расчетах L 0,0071 Гн.

Коэффициент электромагнитной связи ротора определяется по формуле:

 (2.30)

Численное значение суммарного сопротивления двигателя определится:

Электромагнитная постоянная времени асинхронного двигателя определяется по формуле:

 (2.31)

Электромагнитный момент двигателя формируется на основании уравнения:

 (2.32)

где рп число пар полюсов обмотки статора, рп=2.

Механическая часть асинхронного двигателя представляется интегрирующим звеном с передаточной функцией:

Структурная схема силовой части системы ПЧ –АД смоделирована в программе Simulink. Вид модели представлен на рисунке 2.2.

Рис. 2.2 Структурная схема электропривода в числовом виде

Рис. 2.3 Схема исследования по задающему воздействию

Момент статической нагрузки Мс=26,7 Н·м соответствует номинальному моменту двигателя, который определятся:

 (2.33)

Рис. 2.4Переходная характеристика по задающему воздействию

Переходная характеристика характеризует силовую часть электропривода как апериодическое звено с коэффициентом усиления K=21,9.Время переходного процесса в системе равно tпп.зад=0,415 с.

Рис. 2.5 Частотные характеристики по задающему воздействию

Частотные характеристики показывают, что система является статической, так как наклон низкочастотной части ЛАХЧ нулевой.

Система:

обладает достаточным быстродействием, частота среза ср=190 рад/с;

устойчива с запасом по фазе 59,8 и запасом по амплитуде 16,8 дБ.

Исследование влияния возмущения – статической нагрузки на силовую часть системы ПЧ – АД осуществляется в соответствии со схемой, изображенной на рисунке 2.4.6. Отличие от схемы, изображенной на рисунке 2.4.3 состоит в местах расположения контрольных точек Input и Output .

Результаты исследования системы представлены на рисунках 2.7 и 2.8.

Рис. 2.6 Схема исследования по возмущающему воздействию

Рис. 2.7 Переходная характеристика по возмущающему воздействию

Система ПЧ-АД обладает низким быстродействием (время переходного

процесса tпп.возм=0,412 с). Время переходного процесса скорости при единичном скачке задающего сигнала (tпп.зад=0,415 с) почти не отличается от времени переходного процесса при наличии возмущения. Причем низкое быстродействие системы связано с достаточно большим моментом инерции. Поэтому и коэффициент усиления в системе низкий.

 (2.34)

Рис. 2.8 Частотные характеристики по возмущающему воздействию

3. Специальная часть проекта

3.1 Особенности ПЧ основанных на IGBT-транзисторах

Преобразователь построен по принципу двухзвенного преобразования энергии с промежуточным звеном постоянного тока и автономным инвертором напряжения. Функциональная схема преобразователя представлен на рисунке 3.1.

Рис. 3.1 Функциональная схема преобразователя

Силовая часть преобразователя включает в себя трехфазный мостовой выпрямитель (входной выпрямитель), звено постоянного тока (звено ПТ), трехфазный мостовой инвертор (инвертор) и блок торможения. Входной выпрямитель включает в себя цепь предварительного заряда емкостей звена постоянного тока, обеспечивающую ограничение тока заряда и плавное нарастание напряжения на конденсаторах. В преобразователях мощностью 5,5-37кВт входной выпрямитель является неуправляемым, при этом отключение звена постоянного тока преобразователя осуществляется с помощью встроенного электромагнитного реле. В преобразователях мощностью 45-90кВт входной выпрямитель является полууправляемым и выполняет функцию отключения звена постоянного тока преобразователя.

Звено постоянного тока представляет собой емкостной фильтр, служащий источником постоянного напряжения для инвертора. Для уменьшения пульсаций тока в звене постоянного тока и снижения гармонических составляющих тока как в обмотках двигателя, так и потребляемого из сети рекомендуется использование внешнего дросселя постоянного тока, подключаемого к клеммам L1 и L2 преобразователя. При отсутствии дросселя постоянного тока клеммы L1 и L2 соединяются перемычкой, поставляемой в комплекте с преобразователем.

Инвертор, построенный на IGBT-транзисторах, преобразует напряжение звена постоянного тока в переменное напряжение заданной частоты и амплитуды. Блок торможения представляет собой встроенный ключ управления внешним тормозным резистором, подключаемым к клеммам В1 и В2 преобразователя и предназначен для реализации режима динамического торможения двигателя (при необходимости реализации высоких темпов торможения).

Драйверы силовых ключей входного выпрямителя и инвертора обеспечивают управление соответственно тиристорами и затворами IGBT, формируют сигналы защит, а также осуществляют гальваническую развязку силовых и управляющих цепей. В преобразователях мощностью 5,5-37кВт драйвера силовых ключей входного выпрямителя отсутствуют.

Система датчиков преобразователя включает в себя датчики напряжения на входе и в звене постоянного тока преобразователя, датчики выходного тока, а также датчик температуры силовой части преобразователя. Источник питания обеспечивает формирование питающих напряжений, необходимых для работы преобразователя. Также имеется гальванически развязанный канал питания 24В (250мА) для питания внешних устройств, подключаемых к интерфейсному модулю. Контроллер управления управляет согласованной работой всех модулей преобразователя и реализует большинство защитных и сервисных функций. Контроллер расширений включает в себя набор средств взаимодействия с внешними управляющими устройствами. В состав контроллера расширений входят:

• 3 аналоговых выхода (4.20мА) с индивидуальной гальванической развязкой, предназначенные для мониторинга параметров электропривода. Функциональное назначение каждого выхода может быть определено пользователем.

• 2 аналоговых входа (0.20мА или 0.10В) с индивидуальной гальванической развязкой, один из которых предназначен для подключения задатчика уставки и датчика технологического параметра;

• 8 дискретных входов типа "сухой контакт" с групповой гальванической развязкой, для приема управляющих сигналов от устройств автоматики. Функциональное назначение каждого дискретного входа может быть определено пользователем.

• 3 релейных выхода (~250VAC, 3A или 30VDC, 3A), имеющие нормально замкнутые и нормально разомкнутые контакты. Функциональное назначение выходов:

- работа/останов;

- авария/нет аварии;

- включение дополнительного двигателя.

• встроенные источники питания с общей гальванической развязкой:

- 10В (50мА) для подключения потенциометра формирования сигнала задатчика технологического параметра;

- 24В (250мА) для питания датчика технологического параметра или внешних устройств пользователя.

• драйвер интерфейса RS-485 с гальванической развязкой и поддержкой протокола ModBus, предназначенный для подключения пульта дистанционного управления или внешних управляющих контроллеров. Встроенный (местный) пульт управления позволяет выполнять процедуры просмотра, редактирования параметров преобразователя, управления и контроля режимов работы электропривода.

Электромагнитная совместимость (ЭМС).

Преобразователь соответствует требованиям к помехоэмиссии по ГОСТ Р 51317.6.4 и устойчив к электромагнитным помехам по ГОСТ Р 51317.6.2.

Работа преобразователя сопровождается генерацией электрических сигналов с широким спектром частот, что может привести к появлению электромагнитных помех. Распространяться эти помехи могут как по силовым кабелям, подключенным к преобразователю, так и непосредственным излучением в окружающее пространство. Работа вентилей входного выпрямителя вызывает появление негармонического тока потребления, что может привести к ухудшению качественных показателей электрической энергии в точке подключения преобразователя к питающей сети. Это объясняется, во-первых, скачкообразным изменением параметров цепи во время коммутационных процессов в вентильной группе, во-вторых – изменением величины тока нагрузки и связанным с этим падением напряжения на индуктивном сопротивлении сети в коммутационном интервале. Работа силовых элементов преобразователя в ключевых режимах с короткими фронтами импульсов напряжения и тока с частотой следования до нескольких килогерц может сопровождаться появлением индустриальных радиопомех. Приобретенный Вами преобразователь соответствует требованиям к помехоэмиссии и устойчив к электромагнитным помехам. Однако на практике все же возможны ситуации, когда необходимо принимать дополнительные меры в целях минимизации влияния помех, генерируемых преобразователем на работу различного рода оборудования, или наоборот, защищать от помех сам преобразователь. При решении этих задач рекомендуется использовать приведенные ниже общие меры по подавлению помех:

• Не прокладывайте питающие сетевые кабели и кабели подключения двигателя параллельно друг другу или в непосредственной близости друг от друга.

• По возможности используйте экранированные силовые кабели или используйте кабели, проложенные внутри заземленной металлической трубы, которая будет служить для них экраном.

• Максимальная длина кабеля для прямого подключения двигателя к преобразователю не должна превышать 30 метров. При подключении к одному преобразователю нескольких двигателей учитывается суммарная длина кабелей.

• Корпус преобразователя и двигатель необходимо заземлять в одной точке. Для заземления необходимо использовать винты заземления, находящиеся сбоку преобразователя.

• Для линий управляющих сигналов или для подключения датчиков используйте экранированную витую пару. Экран таких кабелей должен быть обязательно заземлен.

• Установить устройство для подавления импульсных помех в оборудовании, расположенном вблизи от преобразователя.

Улучшение электромагнитной совместимости.

Для улучшения электромагнитной совместимости к преобразователю может подключаться следующее дополнительное оборудование:

• сетевой дроссель;

• входной пассивный фильтр;

• входной фильтр подавления радиопомех.

Сетевые дроссели позволяют обеспечить лучшую защиту преобразователя от сетевых перенапряжений и уменьшить гармоники тока, вырабатываемые преобразователем частоты. Использование сетевых дросселей особенно рекомендуется в следующих случаях:

• при параллельном включении нескольких преобразователей с близко расположенными соединениями;

• при наличии в сети питания значительных помех от другого оборудования;

• при асимметрии напряжения питания между фазами >1,8% номинального напряжения;

• при питании преобразователя от линии с низким полным сопротивлением (преобразователь расположен рядом с трансформаторами, в 10 и более раз более мощными, чем преобразователь);

• при установке большого количества преобразователей на одной линии;

• для уменьшения перегрузки конденсаторов, повышающих cosϕ, если установка оснащена батареей конденсаторов для повышения коэффициента мощности. Пассивный фильтр позволяет обеспечить уровень гармоник потребляемого тока меньше 16% или 10%, в зависимости от исполнения фильтра. Входной фильтр подавления радиопомех предназначен для уменьшения наведенного излучения в сети ниже пределов, установленных стандартом EN 55011, группа 1, класс A или B (2). Фильтры не могут применяться в сетях и изолированной нейтралью.

Улучшение совместимости с сетью и нагрузкой

Для улучшения совместимости преобразователя с питающей сетью и с двигателем, увеличения ресурса преобразователя и обеспечения работы в режиме динамического торможения к преобразователю может подключаться следующее дополнительное оборудование:

• дроссель звена постоянного тока;

• тормозной резистор;

• дроссель двигателя;

• выходной синусный фильтр.

Дроссель звена постоянного тока необходим для снижения пульсаций выходного тока и уменьшения гармоник тока, потребляемого из сети. Кроме того, наличие дросселя звена постоянного тока позволяет увеличить ресурс силовых конденсаторов звена постоянного тока, а, следовательно, и ресурс преобразователя в целом. Коэффициент мощности преобразователя нормируется только при использовании дросселя звена постоянного тока.

Тормозной резистор необходим для реализации режима динамического торможения, возникающего при высоких темпах торможения двигателя, особенно в случае механизмов с большим моментом инерции. Выбор параметров тормозного резистора осуществляется в соответствии с конкретными условиями работы привода. Общие рекомендации по выбору тормозного резистора приведены в таблице 3.1. Торможение с высоким темпом при отсутствии тормозного резистора или при некорректном выборе параметров тормозного резистора может привести к аварийному отключению преобразователя с кодом "Авария 05".

Дроссель двигателя позволяет:

• увеличить максимальную длину кабеля между преобразователем и двигателем до 200м;

• ограничить dV/dt до значения 500 В/мкс;

• ограничить пиковые перенапряжения на двигателе;

• отфильтровать помехи, обусловленные срабатыванием контактора,

находящегося между фильтром и двигателем;

• уменьшить ток утечки на землю двигателя.

Выходной синусный фильтр используется в случаях, требующих:

• большой длины кабелей между преобразователем и двигателем (до 1000м);

• применения промежуточного трансформатора между преобразователем и двигателем;

• параллельного включения двигателей.

Таблица 3.1  Выбор тормозного резистора

Дистанционное управление преобразователем

Управление и настройка преобразователя может производиться с использованием пульта дистанционного управления (ПДУ), представляющего собой выносной блок, подключаемый с помощью специального кабеля к каналу связи RS-485;

Полным набором функций управления и контроля обладает местный пульт.

– стандартная опция, поставка которой возможна по согласованию с изготовителем.

ПДУ используется для дистанционного управления преобразователем и позволяет производить следующие основные действия:

• запуск и останов двигателя;

• изменение значения задания поддерживаемого параметра;

• просмотр всех параметров работы преобразователя.

ПДУ подключается к преобразователю при помощи специального соединительного кабеля.

Максимальная длина соединительного кабеля – 300м. Для описания работы с пультом дистанционного управления обратитесь к соответствующему руководству по эксплуатации.

Управление преобразователем.

Способы управления и настройки.

Управление и настройка преобразователя может производиться одним из следующих способов:

• с местного пульта управления, расположенного на передней панели преобразователя;

• с пульта дистанционного управления (ПДУ), представляющего собой выносной блок, подключаемый с помощью специального кабеля к каналу связи RS-485;

• от внешней системы управления или персонального компьютера (используется канал связи RS-485).

Полным набором функций управления и контроля обладает местный пульт. ПДУ

– стандартная опция, поставка которой возможна по согласованию с изготовителем.

ПДУ используется для дистанционного управления преобразователем и позволяет производить следующие основные действия:

• запуск и останов двигателя;

• изменение значения задания поддерживаемого параметра;

• просмотр всех параметров работы преобразователя.

ПДУ подключается к преобразователю при помощи специального соединительного кабеля. Максимальная длина соединительного кабеля – 300м.

Управление преобразователем от внешней системы управления или персонального компьютера осуществляется по каналу связи RS-485, при этом для управления может использоваться один из следующих протоколов:

• протокол ПДУ;

• протокол ModBus-RTU;

• протокол ModBus-ASCII

Местный пульт управления

Местный пульт управления преобразователя имеет 3 варианта исполнения:

• с управляющими кнопками;

• с поворотным энкодером управления;

• с потенциометром пульта.

Двойное нажатие на кнопку ПУСК переводит преобразователь в состояние "работа", при этом производится разгон двигателя в соответствии с заданными настройками. Двойное нажатие на кнопку СТОП переводит преобразователь в состояние "останов", при этом производится останов двигателя в соответствии с заданными настройками.

Строка функций содержит три поля функциональных команд, доступных в текущий момент для выполнения кнопкой выбора, расположенной под соответствующим полем. Строка статуса имеет три поля, в которых отображаются значения текущих параметров преобразователя, выбранных пользователем.

При включении преобразователя на пульте управления выводится экран состояния , на котором крупным шрифтом отображаются поля, заданные для отображения в строке статуса. Выход из экрана ожидания осуществляется при нажатии на любую кнопку. При работе преобразователя вызов экрана состояния осуществляется нажатием на кнопку Отмена при нахождении в главном меню или с помощью соответствующей кнопки выбора с функцией "Инфо".

Для дисплея пульта управления могут быть настроены яркость и контрастность, а также автоматическое гашение подсветки дисплея в случае длительного отсутствия нажатия на кнопки. Световые индикаторы "РЕЖИМ", "АВАРИЯ" и "РАБОТА" отображают состояние преобразователя в соответствии с таблицей 3.1.2.

Таблица 3.2 Отображение световых индикаторов

4. Экономический раздел

4.1 Оценка экономической эффективности мероприятий по экономии топливно-энергетических ресурсов

Основными факторами, влияющими на экономическую эффективность применения и внедрения автоматизированной системы коммерческого учета энергии и мощности (АСКУЭ) являются:

-  снижение сезонной и суточной неравномерности графиков электрических нагрузок как следствие осуществления режимов ограничения мощности;

-  снижение величины заявленной мощности;

-  снижение потерь электроэнергии в питающих и распределительных сетях;

-  выбор оптимального сочетания регулировочных мероприятий по снижению договорной мощности и электропотребления;

-  сочетание оперативных средств контроля и управления нагрузками с долговременными;

-  снижение стоимости технических средств учета контроля и управления электропотреблением.

Эффективность внедрения АСКУЭ на предприятиях нефтегазодобывающего комплекса связана с минимизацией затрат направленных на организацию коммерческого учета на электроэнергию и рассчитывается по следующей методике.

Расчет экономического эффекта от внедрения научно-технического мероприятия проводится согласно требованиям РД 39-01/06-000-89 "Методические рекомендации по комплексной оценке эффективности мероприятия, направленные на ускорение научно-технического прогресса в нефтяной промышленности".

Согласно этой методике суммарный по годам расчетного периода экономический эффект рассчитывается по следующей формуле:

 (4.1)

где Эт - экономический эффект научно-технического мероприятия за расчетный период; РТ – стоимостная оценка результатов осуществления научно-технического мероприятия за расчетный период; ЗТ – стоимостная оценка затрат на осуществление научно-технического мероприятия за расчетный период.

Для более правильного предоставления полученного значения экономического эффекта необходимо привести все технико-экономические показатели, величины затрат и стоимостей к единому моменту времени – расчетному (базовому) периоду. В качестве такого периода обычно выступает предшествующий началу использования новой технологии или внедрения научно-технического мероприятия календарный год. Подобное приведение осуществляется при помощи коэффициента приведения  на который умножаются величины затрат и результатов всех лет рассматриваемого периода.

Величина определяется по формуле:

 (4.2)

где Ен – норматив приведения разноименных затрат и результатов, численно равный нормативу эффективности капитальных вложений; iр – расчетный (базовый) год; i – год, показатели которого приводятся к расчетному.

Величина Рт определяется следующим образом:

 (4.3)

где Рi – стоимостная оценка результатов в i-м году расчетного периода;

iн – первый (начальный) год расчетного периода;

iк – последний (конечный) год расчетного периода.

В качестве начального года рассматриваемого периода принимается год начала финансирования работ по осуществлению мероприятия, включая

проведенные научные исследования.

Конечный год расчетного периода может определяться плановыми (нормативными) сроками обновления продукции по условиям ее производства и использования , либо сроками службы средств труда.

Стоимостная оценка результатов мероприятий определяется в виде суммы основных и сопутствующих результатов:

 (4.4)

Стоимостная оценка основных результатов мероприятий определяется для т средств руда длительного пользования, использование которых изменяет экономические показатели существующего производства продукции:

 (4.5)

где  - изменение объема выпускающейся продукции в i-м году;

 - изменение текущих затрат на производство продукции в i-м году;

 - изменение капитальных вложений, связанных с использованием новых предметов и средств труда в i-м году;

P – стоимость единицы выпускаемой продукции.

Стоимостная оценка сопутствующих результатов включает дополнительные экономические результаты и экономические оценки социальных и экономических последствий реализации научно-технического мероприятия.

Затраты на реализацию научно-технического мероприятия за расчетный период включают затраты при производстве и при использовании продукции:

 (4.6)

где - затраты при производстве продукции за расчетный период;

 - затраты на использование продукции (без учета затрат на приобретение ее) за расчетный период.

Затраты при производстве (использовании) продукции рассчитывается единообразно:

 (4.7)

где  - величина затрат всех ресурсов в i-м году (включая затраты на получение сопутствующих результатов);

 - текущие издержки при производстве (использовании) продукции в i-м году без учета амортизационных отчислений;

 - единовременные затраты при производстве (использовании) продукции в i-м году;

 - остаточная стоимость (ликвидационное сальдо) основных фондов, выбывающих в i-м году (в случае, если на конец расчетного периода остаются основные фонды, которые можно использовать еще в течении ряда лет, величина определяется как остаточная стоимость указанных фондов.

Исходные данные для расчета экономического эффекта представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 Исходные данные для расчета экономического эффекта

4.2 Методика оценки экономической эффективности новой техники

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5