Расчет электропривода

Расчет электропривода

Введение

Электропривод представляет собой электромеханическую систему, предназначенную для преобразования электрической энергии в механическую, приводящую в движение рабочие органы различных машин. Однако на современном этапе на электропривод часто возлагается задача управления движением рабочих органов по заданному закону, с заданной скоростью или по заданной траектории, поэтому более точно можно сказать, что электропривод - это электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочих органов различных машин и управления этим движением.

Как правило, электропривод состоит из электродвигателя, осуществляющего непосредственное преобразование электрической энергии в механическую, механической части, передающей энергию от двигателя к рабочему органу, включающий рабочий орган и устройства управления двигателем, осуществляющего регулирование потока энергии от первичного источника к двигателю. В качестве устройства управления может быть использован как простейший выключатель или контактор, так и регулируемый преобразователь напряжения. В совокупности перечисленные устройства образуют энергетический канал привода. Для обеспечения заданных параметров движения привода предназначен информационно-управляющий канал, в состав которого входят информационные и управляющие устройства, обеспечивающие получение информации о заданных параметрах движения и выходных координатах и реализующие определенные алгоритмы управления. К ним относятся, в частности, различные датчики (угла, скорости, тока, напряжения и др.), цифровые, импульсные и аналоговые регуляторы.

1. Исходные данные для расчета

Кинематическая схема электропривода рольганга перед ножницами для пореза прокатанного металла на заготовки показана на рис. 1.1. Предусматривается безупорный способ пореза.

Электропривод рольганга перед ножницами для пореза прокатанного металла.

- электродвигатель,

- тормозной шкив,

- редуктор,

- продольный вал,

- коническая пара,

- ролик,

- подкат,

- отрезаемая заготовка,

- ось ножниц

Рис. 1.1

Масса подката на рольганге m_п=5,5 кг·10³

Масса ролика m_р=1,0 кг·10³

Мерная длина отрезаемых заготовок l=5,7 м

Диаметр ролика D_Р=0,4 м

Число роликов n=15

Диаметр цапф d_Ц =0,15 м

Максимальная скорость движения подката х_мах=1,4 м/с

Минимальная (ползучая) скорость движения х_мin=0,42 м/с

Время работы на ползучей скорости t_min=0,7 с

Допустимое ускорение а=2,1 м/с²

Момент инерции ролика J_Р=20 кг·м²

Момент инерции колеса качения J_К=1,0 кг·м²

Момент инерции продольного вала J_В=5,0 кг·м²

Расстояние между роликами l_Р=0,8 м

Длительность цикла t_Ц=42,5 с

КПД конической передачи з_МЕХ=0,92

2. Предварительный выбор двигателя

Момент на продольном валу привода рольганга определяется моментом трения скольжения в цапфах роликов и моментом трения качения роликов по подкату.

                                 (2.1)

где м=0,1 - коэффициент трения скольжения в цапфах;

f=1,5·10^-3 - коэффициент трения качения роликов по подкату, м.

Н∙м

Рассчитывается значение мощности двигателя

 (2.2)

 (2.3)

рад/с

Вт

Пользуясь справочником Вешеневского С.Н., выбираем четыре двигателя большей мощности. Два двигателя постоянного тока параллельного возбуждения, два асинхронных двигателя с фазным ротором. Данные двигателей заносим в таблицу 2.1.

Таблица 2.1

где i - передаточное число, определяется по формуле:

 (2.4)

 (2.5)

Для дальнейшего расчета используем двигатель с наименьшим числом J∙i². В данном случае это асинхронный двигатель марки МТВ 312-6.

Выписываем его данные из справочника.

кВт

об/мин

А

А

Ом

Ом

В

А

Ом

Ом

кг∙м2

кг

3. Построение тахограммы и нагрузочной диаграммы

Согласно циклу работы электропривода рольганга строим тахограмму (рис. 3.1)

Технологический процесс осуществляется в следующей последовательности. Подкат (прокатанный из слитка металл) подается цепным транспортером (шлеппером) на рольганг. Привод запускается и перемещает подкат в направлении к ножницам. Передний конец подката проходит ось ножниц до оси безупорного останова. При этом привод вначале затормаживается до минимальной скорости v_min, а через заданное время t_min останавливается. Осуществляется рез заготовки. Отрезанная заготовка снимается. Снова осуществляется пуск рольганга, процесс продолжается, пока вся длина подката не будет порезана на мерные заготовки.

Рис. 3.1. Тахограмма работы электропривода рольганга

Отрезки времени на участках тахограмм рассчитываются по известным из физики формулам равномерного и равноускоренного движения.

 (3.1)

 (3.2)

 (3.3)

 (3.4)

c

 (3.5)

c

 (3.6)

c

м

м

м

м

 (3.7)

м

с

Для построения нагрузочной характеристики необходимо рассчитать динамические и статические моменты конкретных производственных механизмов по формулам:

 (3.8)

 (3.9)

 (3.10)

 (3.11)

кг·м²

рад/с

рад/с

Н·м

Н·м

Н·м

Н·м

Рассчитываем результирующие моменты на каждом участке по формуле:

 (3.12)

Н·м

Н·м

Н·м

Н·м

Н·м

По полученным расчетам строим нагрузочную характеристику (рис. 3.2).

. Проверка двигателя по нагреву и на перегрузочную способность

электропривод двигатель тахограмма

Для проверки двигателя по нагреву применяется метод эквивалентных величин, предполагающий простой расчет среднеквадратичных значений мощности, момента, тока.

Для асинхронных электродвигателей с фазным ротором М=С'_м ФI₂cos ц₂ (здесь ц₂ - угол сдвига между вектором магнитного потока Ф и вектором тока ротора I₂). Коэффициент мощности cosц₂≠const, а меняется в зависимости от загрузки электродвигателя. При нагрузке, близкой к номинальной, Ф·cos ц₂ приближенно может быть принято постоянным и, следовательно, М ≈ К'_м I₂. Учитывая пропорциональность момента и тока, условием для проверки двигателя по нагреву можно принять:

 (4.1)

 (4.2)

Н·м

Н·м

, значит двигатель проходит проверку по нагреву

Проверяется также двигатель по перегрузочной способности, исходя из нагрузочной диаграммы.

 (4.3)

где - максимальный нагрузочный момент (определяется по нагрузочной диаграмме), Н·м;

 - максимальный момент двигателя, Н·м.

По справочным данным для двигателя МТВ 312-6

 (4.4)

Н·м

147,04<448, значит, двигатель проходит проверку на перегрузочную способность.

5. Расчет статических механических характеристик электропривода

Механическая характеристика АД выражается формулой Клосса.

М=,                               (5.1)

где

½М_кг½>½М_кд½,

где М_кг, М_кд - критические моменты в генераторном и двигательном режимах соответственно.

Рис. 2.

,

где

Если пренебречь реактивным сопротивлением статора получим, упрощенную формулу Клосса:

,                                       (5.2)

где  - критическое скольжение АД.

Номинальное скольжение АД определяется по формуле:

 (5.3)

Синхронная частота вращения магнитного поля АД:

 (5.4)

об/мин

Номинальная скорость определяется

 (5.5)

 рад/с

Номинальный вращающий момент АД определяется по формуле (4.2)

Критический момент АД определяется по формуле (4.4)

Для построения механической характеристики рассчитываем момент по формуле (5.2) и угловую скорость по формуле:

        (5.6)

Полученные данные заносим в таблицу 5.1 и строи механическую характеристику (рис 5.1).

Таблица 5.1

Механическая характеристика асинхронного двигателя марки МТВ 312-6

6. Расчет переходных процессов и динамических характеристик

Если в процессе пуска двигателя момент статического сопротивления постоянен, что в практике эксплуатации имеет место во многих случаях, то пики тока и момента обычно выбирают одинаковыми на всех ступенях.

Для расчета сопротивлений надо задаться двумя из трех следующих величин: М₁ (пиковым моментом), М₂ (моментом переключения), (числом пусковых ступеней). При выборе величин М₁, М₂, z следует руководствоваться следующими соображениями.

В случае релейно-контакторного управления число пусковых ступеней всегда значительно меньше, чем у реостатов, т.к. здесь режим пуска регламентируется аппаратурой управления и не зависит от оператора. К тому же каждая пусковая ступень требует отдельного контактора и реле, что заметно увеличивает стоимость оборудования. Поэтому число пусковых ступеней при контакторном управлении для двигателей малой мощности - до 10 кВт - делается равным 1 - 2; для двигателей средней мощности - до 50 кВт - 20 - 3; для двигателей большей мощности - 3 - 4 ступени.

Для асинхронного двигателя марки МТВ 312-6 примем число ступеней z=3.

Аналитический метод

Момент переключения находится по формуле:

                                         (6.1)

В данном курсовом проекте следует принять

         (6.2)

Н·м

Н·м

Полное сопротивление ротора на первой ступени:

                                              (6.3)

Ом

Сопротивления следующих ступеней:

                                                      (6.4)

Ом

Ом

Сопротивления секций:

 (6.5)

Ом

Ом

Ом

По полученным данным строим характеристику (рис. 6.1).

Графический метод

Масштаб сопротивлений

 (6.6)

Приведенное сопротивление ротора вычисляется по формуле

 (6.7)

Ом

Ом/мм

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Пусковая характеристика асинхронного двигателя марки МТВ 312-6

Величина Т_М называется механической постоянной времени. Она характеризует скорость протекания переходного процесса. Чем больше Т_М, тем медленнее протекает переходной процесс.

В пределах прямолинейной части характеристики АД для механической постоянной времени при  справедливо выражение:

 (6.8)

В данном курсовом проекте удобнее будет воспользоваться выражением для механической постоянной времени для прямолинейных характеристик:

Время работы на каждой пусковой характеристике можно определить

 (6.10)

Уравнение для каждой ступени движения электропривода:

                                    (6.11)

                              (6.12)

По формулам (6.11) и (6.12) рассчитываем зависимости  и  для каждой ступени. Расчеты сводятся в таблицу 6.2 и по ним строятся графики переходных процессов (рис. 6.1 и рис. 6.2.).

По построенной пусковой характеристике (рис. 6.1) определяем значения , , , ,, и заносим их в таблицу 6.1.

Таблица 6.1

с

с

с

с

с

с

с

с

c

c

c

c

Рассчитываем зависимости  и  для каждой ступени

рад/с

Н·м

Для остальных ступеней расчет ведется аналогично. Полученные данные заносим в таблицу 6.2.

Таблица 6.2

График переходного процесса. M(t)

График переходного процесса. w(t)

7. Расчет искусственных механических характеристик

Механическая характеристика АД выражается упрощенной формулой Клосса:

В данном курсовом проекте следует рассчитать искусственные характеристики для АД при введении добавочного сопротивления в цепь ротора двигателя, изменении питающего напряжения и при частотном регулировании.

Введение добавочного сопротивления в цепь ротора двигателя

Для расчета естественной характеристики определяем номинальные сопротивления ротора

  (7.1)

Относительное сопротивление цепи ротора с включенным резистором

                                              (7.2)

Определяем отношение

                                            (7.3)

Скольжение на искусственной характеристике определяется:

                                                     (7.4)

Строим механические характеристики M=f(s_и) (рис. 7.1) для моментов, посчитанных на естественной характеристике, находя новые значения s_и.

Уменьшение напряжения, подводимого к статору двигателя

Электромагнитный вращающий момент асинхронной машины пропорционален квадрату напряжения статора:

,                               (7.5)

где m₁ - число фаз статора;_1ф - фазное напряжение статора, В;₂ - приведенное активное сопротивление всей цепи ротора, Ом;

х₂ - приведенное реактивное сопротивление ротора, Ом;₁, x₁ - активное и реактивное сопротивления статора, Ом.

Следовательно, будет справедливо следующее соотношение:

                                                   (7.6)

В данном курсовом проекте требуется построить механические характеристики АД (рис. 7.2) при напряжении статора  и . Для этого необходимо пересчитать моменты двигателя на каждой характеристике при неизменных значениях скольжения:

 и

Изменение частоты тока статора

В данном курсовом проекте требуется построить механические характеристики АД для частоты f₁=25 Гц и f₂=75 Гц. Для того, чтобы, должно соблюдаться условие: , определяем сначала значение скорости идеального холостого хода для нового значения частоты:

                                                    (7.7)

Определяем значение критическое скольжение для нового значения частоты:

,                                                     (7.8)

где  - значение частоты в относительных единицах (для f₁=25 Гц ; а для f₁=75 Гц ).

Т.к. критический момент остается постоянным, номинальный момент также не изменяется, следовательно, и перегрузочная способность двигателя остается прежней. Рассчитать номинальное скольжение двигателя можно, выразив его из уравнения:

                                      (7.9)

Далее строятся искусственные характеристики с рассчитанными данными.

. Разработка принципиальной электрической схемы электропривода

Пуск двигателя с фазным ротором осуществляется с введенными резисторами в цепи ротора. Резисторы в цепи ротора служат для ограничения токов не только в процессе пуска, но и при реверсе, торможении, а также при снижении скорости.

По мере разгона двигателя для поддержания ускорения привода резисторы выводятся. Когда пуск закончится, резисторы полностью шунтируются, и двигатель перейдет работать на естественную механическую характеристику.

На рис. 8.1 приведена схема асинхронного двигателя с фазным ротором, где с помощью релейно-контакторной аппаратуры осуществляется пуск двигателя в две ступени, причем напряжение подается одновременно на силовые цепи и цепи управления с помощью выключателя QF.

Управление двигателем осуществляется в функции времени. При подаче напряжения в цепь управления реле времени КТ1, КТ2, KT3 срабатывают и размыкают свои контакты. Далее нажимается кнопка SBС1 «Пуск». Это приводит к срабатыванию контактора КМ1 и пуску двигателя с резисторами, введенными в цепи ротора, так как контакторы КМ3, КМ4, КМ5 питания не получают. При включении контактора КМ1 реле КТ1 теряет питание и замыкает свой контакт в цепи контактора КМ3 через промежуток времени, равный выдержке времени реле КТ1. По истечении указанного времени включается контактор КМ3, шунтирующий первую пусковую ступень резисторов. Одновременно размыкается контакт КМ3 в цепи реле КТ2. Реле КТ2 теряет питание и с выдержкой времени замыкает свой контакт в цепи контактора КМ4, который срабатывает через промежуток, равный выдержке времени реле КТ2, и шунтирует вторую ступень резисторов в цепи ротора. Одновременно размыкается контакт КМ4 в цепи реле КТ3. Реле КТ3 теряет питание и с выдержкой времени замыкает свой контакт в цепи контактора КМ5, который срабатывает через промежуток, равный выдержке времени реле КТ3, и шунтирует вторую ступень резисторов в цепи ротора.

Динамическое торможение осуществляется отключением двигателя от сети трехфазного тока и подсоединением обмотки статора к сети постоянного тока. Магнитный поток в обмотках статора, взаимодействуя с током ротора, создает тормозной момент.

Для остановки двигателя нажимается кнопка SBТ «Стоп». Контактор КМ1 обесточивается, размыкая свои контакты в силовой цепи двигателя.

Одновременно с этим замыкается контакт КМ1 в цепи контактора КМ6, вследствие чего контактор КМ6 срабатывает и замыкает свои силовые контакты в цепи постоянного тока. Обмотка статора двигателя отключается от трехфазной сети и подключается к сети постоянного тока. Двигатель переходит в режим динамического торможения. В схеме применено реле времени с выдержкой времени при размыкании.

При скорости, близкой к нулю, контакт КТ размыкается, вследствие чего контактор КМ6 обесточивается и двигатель отключается от сети.

Интенсивность торможения регулируется с помощью резистора R. В схеме применена блокировка с помощью размыкающих контактов КМ1 и КМ6 для невозможности включения статора двигателя одновременно в сеть постоянного и трехфазного тока.

Заключение

В данном курсовом проекте мы осуществили: предварительный выбор двигателя; осуществили построение тахограммы и нагрузочной диаграммы; выполнили проверку двигателя по нагреву и на перегрузочную способность; произвели расчет статических механических характеристик электропривода, переходных процессов и динамических характеристик, искусственных механических характеристик; а так же произвели разработку принципиальной электрической схемы электропривода.

При использовании регулируемого электропривода экономия электроэнергии достигается за счет следующих мероприятий:

снижение потерь в трубопроводах;

снижение потерь на дросселирование в регулирующих устройствах;

поддержание оптимального гидравлического режима в сетях;

устранение влияния холостого хода электродвигателя.

Список использованных источников

1.       Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. - М.: Энергия, 1977. - 472 с.

. Чиликин М.Г. «Общий курс электропривода». - М.: Энергия 1981 г.

. Крановое электрооборудование: Справочник/ Ю.В. Алексеев,

А.П. Богословский. - М.: Энергия, 1979 г.