Расчет и проектирование электропривода

Введение

Правильный выбор элементов электротехнических систем и необходимых статических и динамических характеристик определяют не только производительность рабочего механизма, но и качество выпускаемой продукции.

Для решения этих задач необходимы широкие знания теории и практики, которые приобретаются при изучении курса “Теория электропривода“, при проектировании этих систем, а также при эксплуатации электроприводов на промышленных предприятиях.

Электропривод в настоящее время получил широкое применение во всех сферах жизни и деятельности общества. Совершенствование электропривода, его технических показателей во всех областях применения является основой технологического прогресса.

На всех этапах развития электропривода требовалось проведения разносторонних научных исследований, направленных на познание общих свойств этого технического объекта, на разработку методов расчета его характеристик и рабочих режимов, а также на обоснования способов рационального выбора элементов и оптимального проектирования системы в целом.

В процессе научно-технической революции в теории и практике электропривода произошли глубокие качественные изменения. Резкое повышение требований к точностям и динамическим показателям ЭП, с одной стороны, и развитие элементной базы ЭП, неизмеримо расширившие его технические возможности. С другой стороны, привели к быстрому возрастанию роли систем автоматизированного ЭП, замену всех обратными связями, и к соответствующему развитию систем управления ЭП. Как следствие, первостепенное значение приобрели исследования динамики замкнутых систем регулирования, возникла необходимость более полного учета взаимодействия ЭП с приводимыми механизмами, содержащими упругости, зазоры и кинематические погрешности передач. Значительно потребовали вопросы оптимизации ЭП по различным критериям, а также теоретические и практические вопросы, связанные с применением управляющей вычислительной техники.

Электрический привод является важнейшим и крупнейшим потребителем электроэнергии, из всего объёма электроэнергии вырабатываемой в нашей стране. Более половины преобразуется в механическую энергию, необходимую для работы машин и механизмов. В связи с этим энергетические показатели ЭП имеют важнейшее народно-хозяйственное значение. Соответственно особую остроту приобретает проблема рационального с точки зрения энергопотребления проектирования ЭП. Эта проблема требует разработки мероприятий, направленных на повышение КПД ЭП, с одной стороны. На организацию управления работой машин, исключающее при минимизации непроизводительное потребление электроэнергии их электроприводами, с другой стороны.

В данной курсовой работе все перечисленные проблемы были рассмотрены и решены.

Задание на курсовую работу

Исходные данные для проектирования:

1.       Скорости работы механизма в установившихся режимах:

   .

2.       Время работы механизма с установившейся скоростью:

3.       Время паузы:

4.       Точность поддержания установившейся скорости в процентах от скорости идеального холостого хода двигателя на регулировочной характеристике:

5.       Закон изменения момента сопротивления рабочей машины:

6.       Момент инерции рабочей машины в долях от момента инерции двигателя:

7.       Характер момента сопротивления реактивный.

Требования к проектируемому электроприводу

1.       Необходимый диапазон регулирования скорости вращения рабочей машины

2.       Плавный пуск, торможение и реверс рабочей машины.

3.       Заданное (достаточное) быстродействие машины (длительность переходных процессов не должно превышать 2-3% от времени цикла).

.        Минимум потерь энергии в переходных процессах.

.        Возможность изменения направления вращения механизма.

.        Режим рекуперативного торможения.

7.       Перегрузочная способность двигателя

.        Средняя температура нагрева изоляции не должна превышать

.        Статическая ошибка по скорости не должна превышать

1. Расчетная часть

Тахограмма рабочей машины в виде зависимости  показана в графической части курсовой работы и на рис. 1

Рис. 1. Тахограмма рабочей машины

Рассчитаем ПВ%:

где  число установившихся режимов работы, их длительность и время цикла.

.        Механическая характеристика  задана уравнением  Н·м. При выполнении расчета получаем:

Характеристика показана в графической части проекта и на рис. 2.

Рис. 2. Механическая характеристика рабочей машины

Нагрузочную диаграмму  строим на основании тахограммы и механической характеристики. Для каждой из трёх рабочих скоростей определяем моменты сопротивления  Н∙м.

Нагрузочная диаграмма показана в графической части проекта и на рисунке 3.

Рис. 3. Нагрузочная диаграмма рабочей машины

Предварительно мощность двигателя определяем по тахограмме и нагрузочной диаграмме рабочей машины (рис. 1 и 3):

,

где  - коэффициент, учитывающий пульсирующий характер питающего напряжения;

 - коэффициент, учитывающий возможный режим ослабления магнитного потока двигателя;

 - коэффициент запаса, учитывающий динамические нагрузки двигателя;

 - номинальный момент механизма;

 - основная скорость вращения механизма.

Принимаем , так как рекомендуется за основную принимать максимальную скорость при однозонном регулировании и меньшую, но не самую малую скорость при двухзонном регулировании. Двухзонное регулирование целесообразно применять в тех случаях, когда  уменьшается с ростом скорости, т.е. при отрицательной жесткости механической характеристики рабочей машины.

Определяем номинальный момент механизма

,

где MM.CP - средний момент механизма;

MM.CP К - среднеквадратичный момент механизма.

MСМi рассчитанные в п. 3,  берём из тахограммы рабочей машины.

Определяем предварительно мощность двигателя

Пересчитаем найденную расчётную мощность на допустимую для двигателей серии МТКН, ПВ% = 40%

2.      
Выбираем двигатель серии МТКН из условия: , при ПВ=40%

Наиболее подходящие по мощности двигатели МТКН 512-8

Технические данные двигателя МТКН 512-8:

Номинальная мощность Рнд, кВт,37

Номинальное напряжение Uнд, В380/220

Номинальная скорость щн, с-172,8

Коэффициент мощности cosц, %78

КПД hн, %83

Перегрузочная способность по моменту лм2,5

Номинальный ток статора I1н, А87

Ток статора холостого хода Iхх, А45

Активное сопротивление обмотки статора R1, Ом0,1

Индуктивное сопротивление обмотки статора Х1, Ом0,17

Номинальный ток ротора I´2н, А69

Активное сопротивление обмотки ротора R´2 , Ом 0,24

Индуктивное сопротивление обмотки ротора X`2, Ом0,37

Момент инерции ротора JД, кг×м21,425

* Сопротивления обмоток даны в нагретом состоянии, щмакс = 2,5щ0

.1 Рассчитаем передаточное число редуктора для двигателя МТКН 512-8

Принимаем передаточное число редуктора - 3,64.

Из рекомендованных типов редуктора выбираем редуктор ЦОН-25 с передаточным числом i = 3,65.

Рассчитаем мощность редуктора:

где  коэффициент для тяжелого режима работы редуктора.

Принимаем мощность редуктора Рнр = 62,9 кВт.

При заданной мощности и скорости вращения быстроходного вала 750 об/мин выбираем редуктор ЦОН-25.

Принимаем мощность редуктора ЦОН-25 Рнр = 75 кВт при скорости вращения быстроходного вала 750 об/мин.

Аналогично рассчитывается передаточное число редуктора для асинхронного двигателя 4АС250.

Технические данные двигателя 4АС250:

Номинальная мощность Рнд, кВт,36,0

Номинальное напряжение Uнд, В380

Номинальная скорость щн, с-173,24

Коэффициент мощности cosц0,85

КПД hн91

Перегрузочная способность по моменту лм2,0

Момент инерции ротора JД, кг×м21,2

Передаточное число редуктора для двигателя

Принимаем передаточное число редуктора - 3,66.

Из рекомендованных типов редуктора выбираем редуктор ЦОН-25 с передаточным числом i = 3,65.

Рассчитаем мощность редуктора:

где  коэффициент для тяжелого режима работы редуктора.

Принимаем мощность редуктора Рнр = 62,9 кВт.

При заданной мощности и скорости вращения быстроходного вала 750 об/мин выбираем редуктор ЦОН-25.

Принимаем мощность редуктора ЦОН-25 Рнр = 75 кВт при скорости вращения быстроходного вала 750 об/мин.

Все имеющиеся технические данные и расчетные величины приведены в таблице 3.

Таблица 3. Выбор двигателя по оптимальной скорости и передаточному отношению

На основании выполненных расчетов и данных таблицы 3, необходимо выбрать двигатель 4АС250 и редуктор ЦОН-25.

Ввиду небольшой разницы полученных данных, выполним расчет для двигателя МТКН 512-8 и редуктора ЦОН-25.

Рассчитаем основную рабочую скорость механизма для двигателя МТКН 512-8 и редуктора ЦОН-25:

Рассчитаем момент инерции электропривода, приведённый к валу двигателя.

где д = 1,2 - коэффициент, учитывающий момент инерции вращающихся частей редуктора и полумуфт;д = 1,425 кг×м2 - момент инерции двигателя МТКН 512-8;м = 3·Jд, кг×м2 - момент инерции рабочей машины.

Проверим двигатель на перегрузочную способность.

В течение циклов возможны случайные кратковременные перегрузки, превышающие максимальный статический момент в 2,5 раза.

Вычислим фактическую перегрузку двигателя по моментам:

Номинальная (допустимая) перегрузка двигателя по моменту

Выбор преобразователя частоты для питания асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. .

Для выбранного двигателя МТКН 512-8, на основании нагрузочной диаграммы рабочей машины, выбираем реверсивный преобразователь частоты серии Триол АТ05 (асинхронный транзисторный интеллектуальный электропривод).

Электроприводы Триол АТ05 высокодинамичные, реализующие 4-х квадрантное управление АД с рекуперацией энергии в сеть.

Технические данные преобразователя частоты:

Расчет и построение тахограммы щi = f(t) работы двигателя.

Рис. 4 Тахограмма работы двигателя

Приведенные к валу двигателя статические моменты.

Момент холостого хода двигателя:

Номинальный электромагнитный момент двигателя:

где

Номинальный момент на валу:

Рассчитаем приведенные к валу двигателя статические моменты:

Характеристика момента сопротивления на валу двигателя показана в графической части проекта.

Регулирование скорости рабочего механизма

Как правило, регулирование скорости рабочего механизма обеспечивается заданием различной скорости двигателя, поддержанием на заданном уровне изменением во времени по требуемым законам с определённой точностью.

В связи с простотой технической реализации, в разомкнутой системе широкое применение находит регулирование скорости изменением параметров и управляющих воздействий, определяющих искусственные механические характеристики электропривода.

В разомкнутой системе ТПЧ-Д возможны следующие способы управления двигателем:

1)  изменением подводимого к двигателю напряжения;

2)      введением добавочного активного и индуктивного сопротивлений в цепь статора;

)        введением добавочного активного сопротивления в цепь ротора;

)        изменением частоты питающей сети, например

.

Определим на основной механической характеристике жесткость и скорость двигателя при  исходя из следующих параметров:

Моментам  будут соответствовать:

где

Таким образом, если принять участок механической характеристики АД линейным, то на основных характеристиках моментам:  будет соответствовать скорость:

По условиям выбора способа регулирования скорости указано, что технологический процесс допускает изменение рабочих скоростей машин в пределах ± 5%. Исходя из данного допущения решено, что двигатель будет работать на основных механических характеристиках, в точках МC1 = 262,906 Н·м; щC1 = 36,5 с-1.

При этом рабочая скорость механизма составит при заданной скорости 10 с-1.

- процесс допускает изменение рабочих скоростей машин в пределах ± 5%.

Статические механические характеристики.

Статические механические характеристики проектируемых регулируемых электроприводов в первом приближении с учетом известных допущений линейны, поэтому в рамках курсовой работы рекомендуется их построить по двум точкам с координатами:

1. ,  - (точка идеального холостого хода),

. ,  - (точка установившегося режима работы).

Координаты точек для построения статических механических характеристик двигателя определяется следующим образом:

Механические характеристики двигателя в системе ТПЧ-Д рассчитываются в предположении компенсации падения напряжения на активном сопротивлении обмотки статора, т.е. при законе частотного управления:

Предварительно определяем следующие параметры, обеспечивающие работу двигателя с заданными установившимися скоростями:

·          Скорость синхронная

·          Падение скорости на естественной характеристике и на искусственных характеристиках при пониженном напряжении питания, при разных частотах скорости будут различными:

·          Определение жесткости

При заданных условиях она будет одинаковой для всех характеристик, на которых должен работать двигатель.

·          Соответствующие синхронные скорости щ0i находят при сложении ∆щi с заданной скоростью щCi:

 Необходимые частоты напряжения на выходе ТПЧ:

·          Напряжения на выходе ТПЧ, соответствующие этим частотам для каждого установившегося режима работы, определяются исходя из заданного закона частотного управления. Численное значение коэффициента А определяется из уравнения:

Расчет переходных процессов

Расчет переходных процессов в разомкнутой системе электропривода при питании двигателя от вентильного преобразователя выполняется в предположении, что управление приводом осуществляется путем линейного изменения во времени скорости вращения магнитного поля, т.е. по закону:

,

где e0 - ускорение скорости вращения магнитного поля, определяемое из условия полного использования двигателя по моменту.

Так как скорость нарастания управляющего сигнала ограничивается, электромагнитная инерция силовой цепи двигателя в переходном процессе проявляется незначительно и ею можно пренебречь.

 Знак ускорения e0 > 0 при пуске в области положительных скоростей и при торможении в области отрицательных скоростей, e0 < 0 при пуске в области отрицательных скоростей и при торможении в области положительных скоростей.

Ускорение скорости вращения магнитного поля e0, из условия полного использования двигателя по моменту в переходных процессах

где Мм критический момент двигателя:

максимально допустимый момент двигателя

.

ускорение при пуске ЭП:

ускорение при торможении ЭП:

где J = 2,018 кг·м2 - момент инерции электропривода из п. 5.2.

Электромеханическая постоянная времени электропривода не изменяется в течение цикла работы электропривода:

Начальное угловое ускорение электропривода также рассчитываем для каждого этапа переходных процессов по формуле:

,

где МНАЧ - начальный момент двигателя, соответствующий началу i-го участка переходного процесса,

МС.НАЧ - начальный момент статического сопротивления, соответствующий началу i-го участка переходного процесса времени, приведенный к валу двигателя.

Произведём расчёт переходных процессов, при этом расчет переходных процессов предполагает постоянство момента сопротивления.

2. Расчет переходных процессов проводится в следующей последовательности.

2.1 Разгон системы из неподвижного состояния.

В этом случае переходный процесс разбивается на три этапа. На I этапе, , ротор двигателя остается неподвижным, поскольку электромагнитный момент двигателя меньше момента статического сопротивления. Начальная механическая характеристика двигателя проходит через начало координат и через точку с координатами w = 0, М = МС0 (данной точке соответствует скорость идеального холостого хода, равная w0 кон.I).

Для данного этапа справедливы начальные условия:

Момент двигателя на этом этапе изменяется по закону

Заканчивается I этап при увеличении М до МС0, когда скорость идеального холостого хода двигателя w0 достигает значения:

.

Начальный статический момент сопротивления

Длительность первого этапа:

На II этапе t0 ≤ t ≤ t1 происходит разгон двигателя при линейном изменении w0 во времени. Начальные условия этого этапа:

Величина e0 имеет то же значение, что и на первом этапе.

Скорость и момент на данном этапе описываются уравнениями:

Конечная характеристика II этапа проходит через точку I этапа заданного установившегося режима работы.

Заканчивается этап в момент времени t1, когда двигатель выходит на характеристику, обеспечивающею заданную скорость рабочей машины, при этом w0 достигает значения w0.КОН.

Длительность II этапа:

.

На III этапе t > t1 происходит окончательный разгон двигателя до установившегося режима при постоянном значении скорости идеального холостого хода w0.кон. Для этого этапа начальные условия:

Рассчитываем начальное угловое ускорение ЭП:

,

.

Уравнение скорости на этапе имеет вид:

.

Данное уравнение можно представить также в виде:

.

Уравнение момента имеет вид:

После ряда преобразований получаем:

Длительность этапа:

Задаваясь значением времени от t = 0 до t = 0,066 c, выполняем вычисления скорости и момента по уравнениям:

Результаты вычислений сводим в таблицу 1.

Таблица 1

а) зависимость М (t)

б) зависимость щ (t)

в) зависимости М (t), щ (t), щ0 (t)

Рис. 5. Разгон двигателя до скорости щд1

2.2 Реверс системы.

Осуществляется линейным изменением w0 от w0.НАЧ до w0.КОН со сменой её знака в процессе изменения.

Торможение системы:

Переходный процесс разбивается на пять этапов. На I этапе (0 ≤ t ≤ t2) w0 снижается по линейному закону от w0. НАЧ до 0.

Начальные условия I этапа:

Для скорости и момента в функции времени на этом этапе справедливы выражения:

Заканчивается этап при =0, длительность его:

Начальные условия II этапа:

Скорость и момент на данном этапе описываются выражениями:

Длительность II этапа:

III этап при увеличении М до МС0, когда скорость идеального холостого хода двигателя w0 достигает значения:

Начальный статический момент сопротивления

Момент двигателя на этом этапе изменяется по закону

Длительность третьего этапа:

На IV этапе t0 ≤ t ≤ t1 происходит разгон двигателя при линейном изменении w0 во времени. Начальные условия этого этапа:

Величина e0 имеет то же значение, что и на первом этапе:

Скорость и момент на данном этапе описываются уравнениями:

Конечная характеристика IV этапа проходит через точку III этапа заданного установившегося режима работы.

Заканчивается этап в момент времени t1, когда двигатель выходит на характеристику, обеспечивающею заданную скорость рабочей машины, при этом w0 достигает значения w0.КОН.

Длительность IV этапа:

На V этапе t > t1 происходит окончательный разгон двигателя в противоположную сторону до установившегося режима при постоянном значении скорости идеального холостого хода w0.кон. Для этого этапа начальные условия:

,

где

где

Уравнение скорости на этапе имеет вид:

Данное уравнение можно представить также в виде:

Уравнение момента имеет вид:

Длительность V этапа:

Результаты вычислений сводим в таблицу 2. Характеристики разгона двигателя из неподвижного состояния до скорости щ1Д показаны на рис. 6.

Таблица 2.

Рис.6.

Снижение скорости системы от начальной скорости исходного установившегося режима до конечной, ненулевой. Переходный процесс разбивается на два этапа. На I этапе (0 ≤ t ≤ t2) w0 снижается от w0.нач = -76,22 с-1 до w0.кон= -10,95 с-1 с постоянным замедлением e0<0.

Начальные условия I этапа:

Зависимости w(t) и М(t) описываются соответственно выражениями:

Заканчивается этап при щ0 = щ0.кон.

Заканчивается этап при щ0 = щ0.кон.

Длительность этапа:

Длительность этапа:

На II этапе (t>t2) происходит дальнейшее снижение скорости двигателя при работе его с постоянным значением щ0 = щ0.кон.

Начальные условия этого этапа:

На II этапе (t>t2) происходит дальнейшее снижение скорости двигателя при работе его с постоянным значением щ0 = щ0.кон.

Начальные условия этого этапа:

Скорость и момент двигателя на данном этапе описываются выражениями:

Скорость и момент двигателя на данном этапе описываются выражениями:

Длительность этапа:

Останов двигателя при работе на последнем участке цикла осуществляется свободным выбегом, так как двигатель на этом участке работает с небольшой скоростью и длительность переходных процессов не превышает заданного значения, то время выбега составляет:

Таблица данных расчета переходных процессовТаблица данных расчета переходных процессов