Электрический привод производственного механизма

Электрический привод производственного механизма

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

“НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ”

Энергетический институт

Кафедра ЭПЭО

Электрический привод производственного механизма

Пояснительная записка к курсовому проекту

Исполнитель:

студент группы 7А94

В.Е. Карельский

Доцент, кандидат техн. наук

Н.В. Кояин

Томск 2012

ВВЕДЕНИЕ

электродвигатель привод редуктор

Электрическим приводом называется электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочих органов машин и управления их технологическими процессами, состоящее из передаточного, электродвигательного, преобразовательного и управляющего устройств.

Электропривод является преобразователем электрической энергии в механическую. Кроме функции преобразования энергии, на электропривод возлагается важная функция управления технологическим процессом приводимого в движение механизма. Электропривод органически сливается с приводимым в движение исполнительным механизмом в единую электромеханическую систему, от физических свойств которой зависят производительность, динамические нагрузки, точность выполнения технологических операций и ряд других очень важных факторов. Открываются широкие возможности для формирования путем воздействия на систему управления электроприводом заданных законов движения рабочих органов машин, осуществления связанного автоматического управления взаимодействующими в технологическом процессе механизмами, оптимизации их работы по тем или иным критериям.

Основной целью данной работы является закрепление и систематизация знаний по автоматическому электроприводу, развитие навыков самостоятельной работы с использованием специальной технической литературы.

В данном курсовом проекте спроектирован электропривод производственного механизма, на базе двигателя переменного тока, удовлетворяющий заданным параметрам и режимам работы. В качестве передаточного устройства используется редуктор, а в качестве управляющего используется командоаппарат.

1.ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

1.1Данные для построения

nм1 =-35 об/мин - частота вращения в 1 рабочей точке;= 20 с - время работы в 1 точке;м2 = 95 об/мин - частота вращения в 2 рабочей точке;= 30 с - время работы в 2 точке;п= 100 с - время паузы.

Характер нагрузки - реативная нагрузка;

Ммех.=450 Н×м - момент нагрузки (механизма) на валу двигателя;

ηп. = 0.9 - коэффициент полезного действия передачи;

Јмех. = 50 кг×м2 - момент инерции механизма.

.2 Построение тахограммы и нагрузочной диаграммы производственного механизма

Рисунок 1. Тахограмма производственного механизма

Рисунок 2. Нагрузочная диаграмма производственного механизма для активной нагрузки

2. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И ВЫБОР ЕГО ПО КАТАЛОГУ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАИВЫГОДНЕЙШЕГО ПЕРЕДАТОЧНОГО ОТНОШЕНИЯ РЕДУКТОРА.

2.1Продолжительность включения

%

Выбираем стандартное (15%, 25%, 40%, 60%), ближнее по величине значение продолжительности включения.

ПВкат =40%

2.2Диапазон регулирования

2.3 Среднеквадратичное значение мощности за время работы на основании тахограммы и нагрузочной диаграмм

=,

где m - число рабочих участков в цикле;

 - время работы на i-м участке цикла;

 - коэффициент ухудшения теплоотдачи на i-м участке цикла;

- мощность нагрузки на валу механизма на i-м участке цикла.

.3.1 Значения угловых скоростей по ступеням

- первая ступень

рад/с,

- вторая ступень

рад/с.

.3.2 Мощность на i-м участке работы:

первая ступень

 кВт,

- вторая ступень

 кВт.

.3.3 Коэффициент ухудшения теплоотдачи по ступеням

,где

=0.95 - коэффициент ухудшения теплоотдачи при неподвижном якоре (роторе), принимаемый для двигателей закрытого исполнения без принудительного охлаждения;

2.3.3.1 Для первого участка

,

2.3.3.2 Для второго участка

.

.4 Пересчет среднеквадратичной мощности двигателя на выбранное стандартное значение ПВ=40%.

 кВт,

2.4.1 Расчетная мощность электрического двигателя.

,

где kЗ =(1.1-1.3) - коэффициент запаса;

ηмех=0.9 - КПД передачи при nмакс,

Принимаем kЗ=1.3.

кВт.

2.5 Выбираем двигатель постоянного тока независимого возбуждения типа Д-31, имеющий следующие паспортные данные (таблица 1).

Таблица 1 - паспортные данные выбранного ДПТНВ

.6 Передаточное отношение редуктора

где - номинальная угловая скорость вращения двигателя.

 рад/с

Принимаем передаточное отношение редуктора из стандартного ряда передаточных чисел (при условии, что iр.ст ≤iр ).

iр.ст = 8

3. РАСЧЁТ И ПОСТРОЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ

3.1 Сопротивление якоря горячее

 Ом,

где τ= 75°С- перегрев обмоток двигателя относительно начальной температуры (15°С).

.2 Коэффициент полезного действия при номинальной нагрузке

.

3.3 Коэффициент ЭДС двигателя

.

3.4 Номинальный момент на валу двигателя

Н·м.

3.5 Электромагнитный момент, соответствующий номинальному току

Н·м.

3.6 Момент трения на валу электродвигателя

Н·м.

3.7 Скорость идеального холостого хода

 рад/с.

3.8 Скорость вращения по ступеням

;

;

Или

;

.

3.9 Момент статический по ступеням для реактивной нагрузки

3.9.1 I и III квадранты работы(двигательный режим)моменты ступени определяются по выражению

где Ммах=Ммех=450 Н∙м.

.10 Расчет естественных электромеханической ω=f(I) и механической ω=f(М) характеристик двигателя (рисунок 3)

Выражения для расчета электромеханической и механической характеристик имеют вид:

, .

Т.к. между током и моментом у двигателя постоянного тока независимого возбуждения имеется линейная зависимость М=с·I, то для получения механической характеристики достаточно пересчитать по оси Х численные значения токов на значения моментов. Расчетные данные сведены в таблицу 2.

Таблица 2.

Рисунок 3. Естественные электромеханическая ω=f(I) и механическая ω=f(М) характеристики двигателя.

4. РАЧЕТ И ВЫБОР ПО КАТАЛОГУ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ИЛИ ПУСКОВЫХ И РЕГУЛИРОВОЧНЫХ РЕОСТАТОВ

.1 Наибольшие пусковые ток и момент определяются из условий

Iпуск =(1,5÷2)∙Iн =2∙ Iн =2∙37=74 А;

М пуск =с∙ Iпуск =2,17∙74=160,44Н·м.

4.2 Ток и момент переключения определяются из условий

Iпер =1.2∙ Iн =1.2∙37=44,4 А;

Мпер=с∙Iпер= 2,17·44,4=96,26 Н·м.

4.3 Необходимые сопротивления якорной цепи

4.3.1 Определяем необходимые сопротивления якорной цепи для пусковых и рабочих ступеней характеристик(пуск в одну ступень):

Расчет добавочных сопротивлений производим по механической характеристики, представленной на рисунке 4.

Рассчитаем пусковое сопротивление(Rя.пуск=R01)(оно же для первой рабочей ступени)

,  ,

Rя .ст.1=Rя .пуск = 4,92 Ом.

Определим добавочное сопротивление для первой рабочей ступени:

 Ом.

Рассчитаем первое промежуточное сопротивление(Rя.пр.1=R23):

,  ,

Rя.пр.1= 3,83 Ом.

Добавочное первое промежуточное сопротивление :

 Ом.

Рассчитаем второе промежуточное сопротивление (Rя.пр.2=R45):

Для определения второго промежуточного сопротивления необходимо рассчитать скорость в точке 4, которая равна скорости в точке 3(ω3=ω4)

,

Зная скорость в точке 4 определяем второе промежуточное сопротивление:

,  ,я.пр.2=2,39 Ом.

Добавочное второе промежуточное сопротивление:

 Ом.

Рассчитаем сопротивление для второй рабочей ступени(Rя.ст2=R67)

,  ,я .ст2=1,49 Ом.

Добавочное сопротивление для второй рабочей ступени:

 Ом.

4.3.2 Для полученных значений добавочных сопротивлений построим рабочие механические характеристики по ступеням

Расчетные данные сведем в таблицу 3

Таблица 3

По данным таблицы 3 строим пусковые регулировочные и промежуточные механические характеристики (см. рисунок 4).

Рисунок 4 - Механические характеристики двигателя:

-пусковая характеристика и первая рабочая ступень; 23 -первая промежуточная характеристика; 45 -вторая промежуточная характеристика; 67 - вторая рабочая ступень.

4.4Определяем токи по ступеням

для первой ступени=Mc1/c=68,93/2,17=31,79A;

для второй ступени=Mc2/c=68,93/2,17=31,79A.

.5Продолжительность включения

.6Расчётные токи, средние за время работы

А.

А.

.7 Каталожный ток для каждой ступени

А.

А.

4.8 Выбираем ящики сопротивлений по наибольшему току, удовлетворяющему условию Iдоп>Iкат.расч

Rд.ст1=4,37 Ом, Rд.ст2=0,94 Ом

Ом,

 - работает только на первой ступени;

 - работает всё время .

Выбираем ящик сопротивлений №105, технические характеристики которого представлены в таблице 4.

Таблица 4 - технические характеристики ящика сопротивлений №105.

Схема соединений резисторов для первой ступени представлена на рисунке5.

Рисунок 5 - схема соединений резисторов для первой ступени.

*Вначале соединены последовательно 32 резистора.

Ом

Для второй ступени соединяем последовательно 9 резисторов:

Ом.

5. РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ ДВИГАТЕЛЬНОГО И ТОРМОЗНОГО РЕЖИМОВ

5.1 Делаем пересчет механических характеристик двигателя для полученных значений сопротивлений

Полученные значения заносим в таблицу 5.

Rд.ст1’=3,43 Ом, Rд.ст2=0,945 Ом

Rд.ст1= Rд.ст1’+ Rд.ст2=3,43+0,945=4,375Ом

Rя.ст1=Rд.ст1 +Rдв.гор=4,375+0,55=4,925 Ом (было 4,92 Ом)я.ст2=Rд.ст2 +Rдв.гор =0,945+0,55=1,495 Ом (было 1,49 Ом)

5.2Пересчет механических характеристик с учетом новых сопротивлений

5.2.1Пересчет скорости для первой рабочей ступени

сравниваем на сколько отличается скорость от первоначальной

Так как 0,1%<5 %, то выбранное каталожное сопротивление нас удовлетворяет.

5.2.2Пересчет скорости для второй рабочей ступени

сравниваем на сколько отличается скорость от первоначальной

Так как 0,123%<5 %, то выбранное каталожное сопротивление нас удовлетворяет.

Таблица 5.

.3 После работы на двух заданных скоростях (ωи1 и ωи2) двигатель необходимо затормозить до нулевой скорости

При реактивном характере нагрузки производственного механизма примем вид торможения -динамическое. Расчет механической характеристики при динамическом торможении проводится на основании выражения:

.

RДТ=R89(рисунок 6)

Определяем необходимое сопротивление якорной цепи для режима динамического торможения. Для этого режима работы при начальном моменте торможения М, равному М=Мпуск=160,44Н·м, необходимо обеспечить скорость ω=ωи2= 79,498 рад/с. Добавочное сопротивление ступени определяется из выражения

,  ,

Rдв.гор+ RДТ= 2,33Ом;

RДТ=2,33-0,55=1,78 Ом.

Данные для построения характеристики динамического торможения заносим в таблицу 6.

Таблица 6.

Строим механические характеристики полного цикла работы двигателя при реактивном характере нагрузки производственного механизма (Рисунок 6).

Рисунок 6: Механические характеристики полного цикла работы двигателя:

-пусковая характеристика и первая рабочая ступень; 23 -первая промежуточная характеристика; 45 -вторая промежуточная характеристика; 67 - вторая рабочая ступень, 89 - характеристика динамического торможения.

6. РАСЧЁТ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ω=f(t), М=f(t) ЗА ЦИКЛ РАБОТЫ И ПОСТРОЕНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ ДИАГРАММЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

.1 Расчет переходных процессов проводим по выражениям

,

,

,

где Мнач, Iнач, ωнач - начальные значения соответственно момента, тока и скорости;

Мкон, Iкон, ωкон - конечные значения соответственно момента, тока и скорости;- текущее время, с;

 - электромеханическая постоянная времени, с;

JΣ - суммарный момент инерции, кг·м2;

;

k=(1.5÷1.3) - коэффициент, учитывающий момент инерции редуктора,

принимаем k=1,4;дв - момент инерции двигателя, кг·м2;мех - момент инерции механизма, кг·м2;

 - передаточное число редуктора;- суммарное сопротивление якорной цепи на соответствующей характеристике, Ом;

с - коэффициент ЭДС двигателя, .

 кг·м2.

.2Переходные процессы первой рабочей ступени(пусковая характеристика - участок 01 - рисунок 6).

Rя.ст.1= Rя.пуск1=4.925 Ом;  с;

Н·м; Мкон.=Мс2= -68.93Н·м.

ωнач=0рад/с;  рад/с.

Полученные значения начальных, конечных значений момента и скорости подставляем в выражения для расчёта переходных процессов:

Полученные расчетные значения заносим в таблицу 7.

Таблица 7.

По данным таблицы 7 строим графики переходных процессов М=f(t) и n= f(t) для режима работы на первой рабочей ступени(пусковой характеристики):

Рисунок 7 - Переходные процессы М=f(t) и n= f(t) для пуска двигателя, с выходом на рабочую скорость первой рабочей ступени.(tпп=5,8с -время переходного процесса.)

.3 Переходные процессы двух промежуточных ступеней, с выходом на вторую рабочую скорость(участки 23,45,67 рисунок 6)

Первая промежуточная ступень:

Rя.пр1=3,83 Ом;  с;

Н·м; Мкон.фикт= Мс1 = 68,93Н·м.

При расчёте переходного процесса М=f(t) для первой промежуточной ступени в качестве конечного значения момента берётся величина Мкон.фикт , а расчёт ведётся до значения момента равномуМпер.принят=100 Н·м.

ωнач=ωИ1=-29,289рад/с;  рад/с.

При расчёте переходного процесса ω=f(t) для первой промежуточной ступени в качестве конечного значения скорости берётся величина, а расчет ведётся до значения скорости, равной:

рад/с.

Полученные значения начальных, конечных значений момента и скорости подставляем в выражения для расчёта переходных процессов:

Полученные расчетные значения, для первой промежуточной ступени, заносим в таблицу 8.

Таблица 8

Вторая промежуточная ступень:

Rя.пр2=2,39 Ом;  с;

Н·м; Мкон.фикт= Мс1 = 68,93Н·м.

При расчёте переходного процесса М=f(t) для второй промежуточной ступени в качестве конечного значения момента берётся величина Мкон.фикт , а расчёт ведётся до значения момента равномуМпер.принят=100 Н·м.

ωнач=20 рад/с;  рад/с.

При расчёте переходного процесса ω=f(t) для второй промежуточной ступени в качестве конечного значения скорости берётся величина, а расчет ведётся до значения скорости, равной:

рад/с.

Полученные значения начальных, конечных значений момента и скорости подставляем в выражения для расчёта переходных процессов:

Полученные расчетные значения, для второй промежуточной ступени, заносим в таблицу 9.

Таблица 9.

Переходные процессы для второй рабочей ступени:

Rя.ст2=1,495 Ом;  с;

Н·м; Мкон. = Мс1= 68,93Н·м;

ωнач=50,63 рад/с;

 рад/с.

Полученные значения начальных, конечных значений момента и скорости подставляем в выражения для расчёта переходных процессов:

Полученные расчетные значения, для второй промежуточной ступени, заносим в таблицу 10.

Таблица 10.

По данным таблиц 8, 9, 10 строим переходные процессы - рисунок 8:

Рисунок 8 - Графики переходных процессов М=f(t) и n= f(t):- первая промежуточная ступень(участок 23 - рисунок 6)-tпп=1,05- вторая промежуточная ступень(участок 45 рисунок 6)-tпп=0,65- выход на рабочую скорость второй рабочей ступени (участок 45 рис.6) -tпп=1,8.

.4Расчёт переходных процессов тормозных режимов работы

Режим динамического торможения при реактивном характере нагрузке производственного механизма (участок 89 - рисунок 6) от до 0.

Rдв.гор+ RДТ= 2,33Ом;

с.

 рад/с

При расчете переходного процесса ω=f(t) для режима динамического торможения в качестве конечного значения скорости берётся величина ωкон.фикт (точка 10 рисунок 10), которая определяется из выражения:

рад/с, а расчет ведётся до значения скорости равной нулю.

При расчёте переходного процесса M=f(t) для режима динамического торможения:

Н∙мН∙м, а расчёт ведётся до значениямомента, равному нулю.

Полученные значения начальных, конечных значений момента и скорости подставляем в выражения для расчёта переходных процессов:

25.3.

Рассчитываем переходные процессы прехода двигателя с первой рабочей скорости

Полученные расчетные значения, для второй промежуточной ступени, заносим в таблицу 11.

Таблица 11.

По данным таблицы 11 строим графики переходных процессов М=f(t) и n= f(t) для режима динамического торможения:

Рисунок 9 - графики переходных процессов М=f(t) и n= f(t) динамического торможения.(tпп=0,714).

По данным таблиц 7,8,9,10,11 строим графики переходных процессов М=f(t) и n= f(t) полного цикла работы:

Рисунок 10 - графики переходных процессов М=f(t) и n= f(t) заданного цикла работы:- пуск двигателя с выходом на первую рабочую ступень; II-работа на первой рабочей ступени;III - работа двигателя на первой промежуточной ступени; IV-работа двигателя на второй промежуточной ступени; V -выход на рабочую скорость второй рабочей ступени; VI-работа на второй рабочей ступени; VII - динамичесое торможение двигателя.

7.ПРОВЕРКА ВЫБРАННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ НА НАГРЕВ

.1 Проверка двигателя по нагреву (метод эквивалентных величин)

Метод эквивалентного тока

,

где  - определяем через площадь графика I2=f(t)(рисунки:11,12,13);р - суммарное время работы на скоростях ωи1 и ωи2;пп - суммарное время переходных процессов.

Пуск двигателя в одну ступень и работа на первой скорости:

Таблица 12

Рисунок 11 - Режим пуска двигателя в одну ступень и работа на первой рабочей скорости.

Определяем I2ст.1:

Найдём I2ст.1 в программе MathCad:

Переход на вторую рабочую скорость, через две промежуточные ступени:

Первая промежуточная ступень:

Таблица 13.

Вторая промежуточная ступень:

Таблица 14.

Вторая рабочая ступень и работа на ней:

Таблица 14.

Рисунок 12 - режим перехода двигателя с первой скорости на вторую, через две промежуточные ступени.

Определяем I2пр.ст.1:

Найдём I2пр.ст.1 в программе MathCad:

Определяем I2пр.ст.2:

Найдём I2пр.ст.2 в программе MathCad:

Определяем I2ст.2:

Найдём I2ст.2 в программе MathCad:

Режим динамического торможения со второй рабочей ступени до нулевой скорости:

Рисунок 13 - режим динамического торможения.

ОпределяемI2ДТ.1:

Правильность выбора двигателя определяется условием:

Имеем:

tр=20+30=50 сек, - время работы ступеней;

 - суммарное время переходных процессов, тогда

Условие проверки двигателя по нагреву:

,  ,А.

Условие проверки по нагреву выполняется.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе спроектирован электрический привод производственного механизма с параметрическим регулированием скорости двигателя.

Выбран двигатель постоянного тока последовательного возбуждения типа Д-31, рассчитаны и построены естественные и регулировочные механические и электромеханические характеристики двигателя. Был выбран реостатный способ пуска и регулирования скорости. Для осуществления торможения двигателя до нулевой скорости после выполнения рабочих циклов используют динамическое торможение. Рассчитаны и построены переходные характеристики n=f(t) и М=f(t) за цикл работы, произведена проверка выбранного двигателя на нагрев.Выбранный двигатель удовлетворяет требованиям производственного механизма.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. Изд. 6-е, исправленное. М., «Энергия», 1977.

.Кацман М.М. Электрические машины: Учебник для сред.спец. учеб. заведений.- М.: Высш. школа, 1983.-432 с., ил.

. Чиликин М. Г., Сандлер А. С. Общий курс электропривода. - М.: «Энергоиздат», 1981. - 576 с.

.Методические указания по выполнению курсового проекта для студентов специальностей 140604 “Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов”. Томск: изд. ТПУ, 2004.- 55с.

Составители: доц., канд. техн. наук Ю.П.Кастюков

доц., канд. техн. наук Я.В. Петров

доц., канд. техн. наук Ю.Н. Деменьтьев

. Методические указания по выполнению курсового проекта для студентов специальностей 140604 “Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов”. Томск: изд. ТПУ, 2004.- 15с.

. Чернышев А.Ю., КояинН.В.Проектирование электрических приводов: Учебно-метод. Пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2005.-120с.