Электропривод вращателя бурового станка СБШ-320

Система Г - Д с ЭМУ. Электропривод по системе Г — Д с ЭМУ применяется в механизме вращателя бурового станка 2СБШ-200-32 (2СБШ-200). Довольно большое количество этих станков находится в эксплуатации.

Использование электроприводов  по системе Г — Д с ЭМУ  в механизме вращателя буровых  станков обеспечивает:

• требуемые статические и динамические характеристики;
• достаточно высокая плавность пуска;
• широкий диапазон регулирования.

В буровых станках  применяется система Г - Д с ЭМУ поперечного поля, в котором усиление производится в две ступени. Это дает достаточно высокий коэффициент усиления. ЭМУ служит возбудителем генератора постоянного тока, который обеспечивает питание якоря двигателя постоянного тока исполнительного механизма. Генератор и ЭМУ приводятся во вращение от асинхронных электродвигателей.

 

Недостатками такой системы  являются:

• значительные габариты установки;
• высокие капитальные и эксплуатационные расходы.

 

 

Система Г - Д с ТВ. На буровых станках отечественного производства электропривод по системе Г – Д с ТВ применения не нашел, однако широко используется в буровых станках различных зарубежных фирм. К достоинствам этой системы управления относят:

• требуемые статические и динамические характеристики;
• большее, по сравнению с системой Г – Д с ЭМУ, быстродействие;
• возможность применения многоконтурных систем регулирования;
• сохранение достаточной жесткости механической характеристики.

 

Недостатками такой системы  являются:

• необходимость двукратного преобразования энергии (из электрической энергии переменного тока в механическую и из механической вновь в электрическую – постоянного тока регулируемого напряжения), что приводит к значительному снижению КПД;

 

 

•  наличие трех машин  в системе, суммарная установленная мощность которых в три раза больше установленной мощности регулируемого двигателя;

значительные габариты установки;

инерционность управления (необходимость применения тиристорного возбудителя для ускорения переходного процесса);

высокие капитальные и эксплуатационные расходы.

 

Система ТП - Д. На отечественных и зарубежных буровых станках применяют электроприводы постоянного тока по системе ТП — Д (тиристорный преобразователь – двигатель). Применение статического силового преобразователя обеспечивает:

• более широкий по сравнению с системами Г — Д диапазон регулирования;
• возможность формирования высококачественных статических и динамических характеристик привода благодаря малой его инерционности;
• более высокий к.п.д.;
• меньшие габаритные размеры и массу;
• большие возможности блочно-модульного конструктивного решения и унификации;
• рациональную компоновку оборудования в машинном помещении станка лучшие эргономические характеристики.

 

Основным же недостатком такого привода является:

• отрицательное воздействие на внешнюю сеть тиристорного преобразователя – образование высших гармонических и снижение коэффициента мощности в сети;
• то есть, необходима установка фильтров высших гармоник и компенсация реактивной мощности.

Исходя из рассмотренных систем, в качестве системы электропривода вращателя бурового станка СБШ - 320 будет  использован привод по системе ТП–Д, так как эта система является самой эффективной для данного привода.

 

Анализ структур управления

 

На сегодняшний день находят применение следующие типовые  структуры электропривода: структура с суммирующим усилителем и структура подчинённого регулирования координат.

Основным недостатком  структуры с суммирующим усилителем является взаимное влияние обратных связей, затрудняющее получение оптимальных динамических качеств при регулировании каждой переменной. Поэтому данные структуры в настоящее время почти не применяются.

Структура с подчинённым  регулированием координат имеет ряд существенных достоинств:

 

• благодаря инерционности регулятора тока система отфильтровывает высокие частоты, что обеспечивает сохранение демпфирующей способности привода на высоком уровне при абсолютно мягкой статической характеристике.

система проста в наладке и эксплуатации.

. Расчет параметров регуляторов, обеспечивающих статические заданные и динамические свойства, осуществляется простым инженерным методом. Простота настройки и оценки параметров регулирования;

СПРК обеспечивает возможность формирования экскаваторной характеристики с высоким  коэффициентом заполнения простыми средствами.

 

В управлении электроприводом вращателя станка СБШ – 320 выбираем систему подчиненного регулирования координат (СПРК). Так как эта система обеспечивает выполнение требований, предъявляемых к   данному электроприводу.

 

3. Расчет мощности  и выбор двигателя, управляемого  преобразователя

3.1 Расчет мощности и выбор двигателя электропривода

При разработке электроприводов  буровых станков определяются параметры электродвигателей, преобразователей, контакторной и защитной аппаратуры. Для выбора электродвигателей необходимо установить значения мощности, частоты вращения и типа электродвигателя.

 

Мощность двигателя  вращателя станка шарошечного бурения СБШ-320 определяют при следующих условиях [2, с.164]:

 

Диаметр долота,          32 см

КПД механизма вращателя,        0,65

Число шарошек,          3

Крепость породы по шкале  проф. М.М. Протодьяконова,   14-16

 

По приложениям 20 и 21 учебника [2, с. 191-192] принимаем величину прочности породы при бурении , частоту вращения долота и механическую скорость бурения:

 

Прочность породы при бурения,      

Частота вращения долота,       80 об/мин

Скорость бурения,         10 см/мин

 

По данным определяем:

 

Усилие подачи:

 

 

Сопротивление, преодолеваемое механизмом подачи:

 

где  - коэффициент, учитывающий уменьшение скорости бурения из-за неполного скалывания породы между зубьями, = 0,5;

 

 

Момент сопротивления вращения:

 

 

где - коэффициент, учитывающий трение в подшипниках шарошек и бурового става о стенки скважины, = 1,12;

Мощность двигателя  вращателя:

 

.

 

 

Из технических данных ДПТ [3], применяемых в главных электроприводах экскаватора выбираем двигатель постоянного тока независимого возбуждения марки ДПВ – 72 со следующими характеристиками:

 

	Ед. измерения	Значение
Номинальная мощность двигателя	, кВт	100
Номинальное напряжение	, В	305
Номинальный ток якоря	, А	325
Номинальная скорость вращения вала	,об/мин	750
Напряжение возбуждения	, В	80
Ток возбуждения	, А	12,7
Число полюсов	2p	4
Сопротивление обмоток  при
- якоря	, Ом	11,8.10-3
- вспомогательных полюсов	, Ом	8,6.10-3
- компенсационной обмотки	, Ом
- независимого возбуждения	, Ом	51
Число витков обмоток  на полюс якоря		372/4
Число витков ОВ на полюс		470
Число параллельных ветвей обмотки якоря	2a	2
Момент инерции якоря	J,	8,25
Продолжительность включения	ПВ, %	80

 

Проверку двигателя  на нагрев и продолжительность включения  проводить не требуется, так как  режим работы привода вращателя длительный и не требует частых пусков, торможений и реверсов. Нагрузка реактивная и носит случайный характер.

 Выбор и расчет  передаточного числа редуктора

 

Передаточное число  редуктора:

 

Из стандартного ряда значений передаточных чисел цилиндрических редукторов [2, с. 181] выбираем двухступенчатый редуктор с передаточным числом i_ред= 10. Кинематическая схема механизма представлена на рис. 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5 Кинематическая схема привода вращателя станка СБШ-320

 

 

3.2 Построение механической характеристики выбранного двигателя

 

Номинальный момент на валу двигателя [2, с. 41]:

 

 

Для упрощения расчетов момент инерции  цилиндрического редуктора принимаем равным 15-20% от момента инерции якоря двигателя:

 кг×м², [2, с. 42];

Момент инерции поступательно перемещающихся масс, [2, с.42]:

   кг×м², 

где m_ст – поступательно перемещающая масса (масса станка).

Суммарный момент инерции:

 кг×м².

Момент сопротивления, приведенный в валу двигателя:

 Нм,

где М_шар - момент сопротивления вращения.

     

Для формирования статической механической (экскаваторной) характеристики необходимо задаться стопорным моментом и моментом отсечки:

 Нм

 Нм

 

Пусковой момент для  упрощения принимаем как среднее  арифметическое между стопорным моментом и моментом отсечки:

 Нм

 

Динамические моменты при пуске  и торможении принимаем равными  друг другу:

 Нм

 

Номинальная угловая  скорость вращения:

 рад/с

Время пуска:

 с

 

Механическая характеристика  двигателя  приведена на рис.6.

 

 

3.3 Расчет и выбор управляемого преобразователя

 

Для осуществления автоматического регулирования предусматривают управляемые преобразователи, позволяющие автоматически под воздействием обратных связей изменять управляющий сигнал. В качестве управляемого преобразователя выбираем тиристорный преобразователь - ТП. Условия выбора ТП [5]:

 

1.       ;
2.      ,

где   , - номинальные выпрямленные напряжение и ток.

Из [5] принимаем преобразователь типа КТЭУ – 500/440 УХЛ3 со следующими данными:

 

- номинальное выпрямленное  напряжение  = 440В;

- номинальный выпрямленный  ток  = 500А.

 

3.4 Выбор токоограничивающего реактора

 

Для данного электропривода вращателя станка СБШ-320 вместо согласующего трансформатора целесообразнее выбрать токоограничивающий реактор. Токоограничивающий реактор включают в цепь переменного тока мостовой выпрямительной схемы. Для тиристорных преобразователей используют сухие трехфазные токоограничивающие реакторы серии РТСТ.

Токоограничивающие реакторы выбирают исходя из значений линейного  напряжения питающей сети U_н и номинального выпрямленного тока тиристорного преобразователя I_dн, [5]:

 

1. U_н = 380 В
2. I_dн = 500 А

Выбираем реактор типа РТСТ – 20,5 – 2,02 УЗ с техничискими данными:

Номинальное линейное напряжение питающей сети  U_н = 410 В 

Номинальный фазный ток      I_фн = 20,5 А

Номинальная индуктивность фазы      L_ф=2,02м Гн

Активное сопротивление обмотки     R = 265мОм

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Расчет структурной схемы электропривода и синтез регуляторов системы управления электроприводом

 

4.1. Расчет структурной схемы электропривода

Расчет структурной  схемы ЭП подразумевает определение  передаточных функций звеньев системы  автоматизированного электропривода: регуляторов, объекта регулирования, обратных связей.

В связи с расширением использования полупроводниковой техники управления и созданием унифицированных блочных систем регуляторов (УБСР), предназначенных для управления электроприводами, практический интерес представляет последовательная коррекция контуров регулирования. С учетом этих условий в теории автоматизированного  электропривода разработан инженерный метод синтеза унифицированных контуров регулирования, получивший название метода последовательной коррекции с подчиненным регулированием координат. Этот метод позволяет расчетным путем определить параметры регуляторов, обеспечивающих заданные динамические показатели контура регулирования.

При подчиненном регулировании  координат система электропривода разделяется на группы звеньев, в каждой из которых, как правило, имеется только одна большая постоянная времени. Каждая из таких групп звеньев включается в контур регулирования со своими регулятором и обратной связью. В результате система получается многоконтурной, причем каждый последующий контур охватывает предыдущий. Выходные величины регуляторов внешних контуров регулирования оказываются входными для внутренних контуров регулирования. Поэтому такие системы называют системами подчиненного регулирования координат с последовательной коррекцией. Одна из регулируемых координат является основной, остальные – подчиненными (рис.3).