Электрический привод производственного механизма

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

" НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Энергетический институт Направление — Электротехника, электромеханика, электротехнологии Кафедра — Электропривод и электрооборудование Курсовой проект

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД ПРОИЗВОДСТВЕННОГО МЕХАНИЗМА

по дисциплине «Электрический привод»

Студентка гр.7А86 А. В. Заостровных Руководитель доцент Н. В. Кояин Томск — 2011

• Введение
• 1. Выбор двигателя на основании технического задания
• 2. Расчёт и построение естественных механических и электромеханических характеристик двигателя
• 3. Выбор способа пуска и регулирования скорости в пределах цикла
• 4. Выбор ящика сопротивлений
• 5. Расчёт механических характеристик рабочих режимах и в режиме динамического торможения
• 6. Расчёт переходных процессов щ=f (t), м=f (t) за цикл работы и построение нагрузочной диаграммы электропривода
• 7. Проверка двигателя по нагреву
• Заключение
• Список литературы

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.

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

1. Выбор двигателя на основании технического задания

Данные для построения диаграмм:

n₁ = - 130 об/мин — частота вращения на 1 рабочей ступени,

t₁ = 16 с — время работы на 1 ступени,

n₂ = 60 об/мин — частота вращения на 2 ступени,

t₂ = 24 с — время работы на 2 ступени,

t₀ =40 с — время паузы.

Нагрузка имеет реактивный характер, т. е. момент меняет свой знак при изменении направления вращения машины.

М_мех. =750 Нм — момент нагрузки (механизма) на валу двигателя,

з_перед. = 0.85 — коэффициент полезного действия передачи,

Ј_мех. = 85 кгм² — момент инерции механизма.

Построение тахограммы и нагрузочной диаграммы производственного механизма:

Рисунок.1. Тахограмма производственного механизма.

Рисунок.2. Нагрузочная характеристика производственного механизма для активного характера нагрузки.

Расчет мощности электродвигателя и выбор его по каталогу

Определяем продолжительность включения:

%

Выбираем стандартное (15%, 25%, 40%), ближнее по величине, значение продолжительности включения: ПВ_кат =40%

Определим диапазон регулирования:

Определяем среднеквадратичное значение мощности за время работы на основании тахограммы и нагрузочной диаграмм:

кВт,

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.

Определение значений угловых скоростей по ступеням:

рад/с,

рад/с.

Определение мощности на i-м участке работы:

первая ступень

кВт,

вторая ступень

кВт.

Определим коэффициенты ухудшения теплоотдачи по ступеням по выражению:

где — коэффициент ухудшения теплоотдачи при неподвижном якоре (роторе), принимаемый для двигателей закрытого исполнения без принудительного охлаждения в₀ = 0.95;

Для первого участка

Для второго участка

.

Среднеквадратичное значение мощности:

.

Делаем пересчет среднеквадратичной мощности двигателя на выбранное стандартное значение ПВ=40%

кВт,

Определяем расчетную мощность электрического двигателя:

где k_З = (1.1ч1.3) — коэффициент запаса;

з_мех — КПД передачи при n_макс,

Принимаем k_З=1.2.

кВт.

Выбор двигателя.

Выбираем двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, имеющий следующие паспортные данные (табл.1).

Таблица 1.

Определим передаточное отношение редуктора:

где — номинальная угловая скорость вращения двигателя.

В нашем случае:

.

Принимаем передаточное отношение редуктора из стандартного ряда передаточных чисел:

i_{р. ст} =8

2. Расчёт и построение естественных механических и электромеханических характеристик двигателя

Определяем сопротивление якоря горячее:

Ом,

где ф — перегрев обмоток двигателя относительно начальной температуры (15°С), град. Принимаем ф = 75 °C.

Определяем коэффициент полезного действия при номинальной нагрузке:

.

Определяем коэффициент ЭДС двигателя

.

Определяем номинальный момент на валу двигателя

Н· м.

Определяем электромагнитный момент, соответствующий номинальному току:

Н· м.

Определяем момент трения на валу электродвигателя

Н· м.

Определяем скорость идеального холостого хода

рад/с.

Определяем скорость вращения по ступеням

, или

.

Определяем момент статический по ступеням.

В 1 квадранте (двигательный режим работы) момент ступени определяется по выражению

М' _с1= М' _с2=М _max/i_{ст. р}•з _мех=750/8•0.85=110.29 Н· м.

М _с1= М _с2= М' _с1 + М _{с. дв}=110.29+13.32=123.61 Н· м.

Проведем расчет естественных электромеханической щ=f (I) и механической щ=f (М) характеристик двигателя (рис.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 сведем в таблицу 2.

Таблица 2.

Рисунок.3. Естественная электромеханическая щ=f (I) характеристика двигателя.

Рисунок.4. Естественная механическая щ=f (М) характеристика двигателя.

3. Выбор способа пуска и регулирования скорости в пределах цикла

Определяем наибольшие пусковые ток и момент. Для двигателей обычного исполнения эти величины определяются из условия

I _пуск = (1.5ч2) •I _н =2• I _н =2•90.5=181 А,

М _пуск =с• I _пуск =1.74•181=314.94 Н· м.

Определяем ток и момент переключения из условия

I _пер =1.2• I _н =1.2•90.5=108.6 А,

Н· м.

Определяем необходимые сопротивления якорной цепи для пусковых и рабочих ступеней характеристик:

В момент пуска щ=0, следовательно:

R _{я. пуск 1}=U_н/ I _пуск =220/181=1.215 Ом,

А требуемое добавочное сопротивление якорной цепи для первой ступени пусковой характеристики равно:

Ом.

электрический привод двигатель механизм Сопротивление второй ступени пусковой характеристики выбираем из соображения получения симметричной пусковой диаграммы

,

R _{я. пуск 2} =0.84Ом.

Ом.

Для рабочих ступеней:

Для первой рабочей ступени при моменте нагрузки М_с1=110.29 Н· м необходимо обеспечить скорость щ_и1=-108.85 рад/с. Добавочное сопротивление ступени определяется из выражения

R _{я. ст1}=0.507 Ом.

Ом.

Для второй рабочей ступени при моменте нагрузки М_с2=110.29 Н· м необходимо обеспечить скорость щ_и2= 50.24 рад/с. Добавочное сопротивление ступени определяется из выражения

Ом.

Ом.

Для полученных значений добавочных сопротивлений построим рабочие механические характеристики по ступеням. Расчетные данные сведем в табл.3.

Таблица 3.

Определяем токи по ступеням: для первой ступени

А.

для второй ступени

А.

Определяем продолжительности включений.

.

Определяем продолжительность включения для ступеней:

%;

%.

Определяем расчетные токи, средние за время работы:

А;

А.

Определяем каталожный ток для каждой ступени:

А;

A

4. Выбор ящика сопротивлений

Выбираем ящики сопротивлений по наибольшему току, удовлетворяющему условию I_доп > I_{кат. расч}:

R_ст1=0.4134Ом, R_ст2=6.3584 Ом

R'_ст2= R_ст2 — R_ст1=6.3584−0.4134=5.945 Ом.

Ящик сопротивлений № 55

R_ст1=4Ч0.055+4Ч0.055=0.44Ом

R'_ст2=5Ч R_ящ+4Ч0.055+4Ч0.055=5.94 Ом

R_ст2= R_ст1+ R'_ст2=0.44+5.94=6.38 Ом (было 6.36 Ом)

R_{я. ст1}= R_ст1+ R_{дв гор}=0.44+0.0936=0.5336 Ом (было 0.507 Ом)

R_{я. ст2}= R_ст2+ R_{дв гор}=6.38+0.0936=6.4736 Ом (было 6.452 Ом) Расчет электромеханических и механических характеристик для двигательного и тормозного режимов.

Так как полученные значения сопротивлений практически не отличаются от расчетных, то не будем проводить пересчет механических характеристик двигателя.

5. Расчёт механических характеристик рабочих режимах и в режиме динамического торможения

После работы на двух заданных скоростях (щ_и1 и щ_и2) 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

.

Определяем необходимое сопротивление якорной цепи для режима динамического торможения. Для этого режима работы при начальном моменте торможения М, равному М=М_пуск=315 Н· м, необходимо обеспечить скорость щ=щ_и2= 50 рад/с. Добавочное сопротивление ступени определяется из выражения

,

R_{дв. гор}+ R_пв= 11.9 Ом;

R_дт=10.75

R_дт= R'1+ R'2+ R'3+ R'4+ R'5=0.7+1.4+2.03+3.64+3.08=10.75 Ом;

Данные для построения характеристики торможения заносим в табл.4.

Таблица 4.

Механические характеристики для полного цикла работы двигателя при реактивном характере нагрузки производственного механизма представлены на рис. 5.

М_{пуск -} М_пер М_с1 +М_пер +М_пуск

Рисунок.5. Механические характеристики полного цикла работы двигателя.

Порядок работы двигателя при полном цикле происходит следующим образом: в цепь якоря включается добавочное сопротивление первой ступени, двигатель выходит на первую, вторую пусковые ступени, затем на первую рабочую, при этом скорость вращения вала двигателя возрастает. Спустя время t1 в цепь якоря вводится добавочное сопротивление второй ступени, двигатель выходит на вторую рабочую. По истечении времени t2 двигатель переходит в режим динамического торможения, скорость вращения вала двигателя падает до полной его остановки.

6. Расчёт переходных процессов щ=f (t), м=f (t) за цикл работы и построение нагрузочной диаграммы электропривода

Расчет переходных процессов проводим по выражениям

где М_нач, I_нач, щ_нач — начальные значения соответственно момента, тока и скорости;

М_кон, I_кон, щ_кон — конечные значения соответственно момента, тока и скорости;

t — текущее время, с;

— электромеханическая постоянная времени, с;

J_У — суммарный момент инерции, кг· м²;

;

k= (1.5ч1.3) — коэффициент, учитывающий момент инерции редуктора, принимаем k=1.4;

J_дв — момент инерции двигателя, кг· м²;

J_мех — момент инерции механизма, кг· м²;

— передаточное число редуктора;

R_i — суммарное сопротивление якорной цепи на соответствующей характеристике, Ом;

с — коэффициент ЭДС двигателя, .

кг· м².

Рассчитываем переходные процессы для пуска первой ступени (характеристика 1,2,3,4 рис.9):

первая ступень пусковой характеристики

R_ст1=1.215 Ом; с;

М_нач=М_пуск=-315 Н· м; М_{кон. фикт}=М_с2=-110 Н· м.

При расчете переходного процесса М=f (t) для первой пусковой характеристики в качестве конечного значения момента берется величина М_кон. =-225 Н· м

щ_нач=0; рад/с.

При расчете переходного процесса щ=f (t) для первой рабочей характеристики в качестве конечного значения скорости берется величина щ_{кон. фикт}, а расчет ведется до значения скорости равной: рад/с.

Полученные значения начальных, конечных значений момента и скорости подставляем в выражения для расчета переходных процессов.

Полученные расчетные значения заносим в табл.5.

Таблица 5.

По данным табл.5 строим графики переходных процессов М=f (t) и n=f (t) для режима пуска (см. рис.6).

Рисунок.6. График переходных процессов М, щ=f (t) для первой ступени пусковой характеристики (t _пп = 0.57 с).

Вторая ступень пусковой характеристики

R_{я. пуск1}=0.84 Ом; с;

М_нач=М_пуск=-315Н· м; М_{кон. фикт}=М_с1=-110 Н· м.

При расчете переходного процесса М=f (t) для второй пусковой характеристики в качестве конечного значения момента берется величина М_{кон. фикт}, а расчет ведется до значения момента, равному М_пер =-225 Н· м.

щ_нач=-36; рад/с.

При расчете переходного процесса щ=f (t) для второй пусковой характеристики в качестве конечного значения скорости берется величина щ_кон. =-64 рад/с Полученные значения начальных, конечных значений момента и скорости подставляем в выражения для расчета переходных процессов.

Полученные расчетные значения заносим в табл.6.

Таблица 6.

По данным табл.6 строим графики переходных процессов М=f (t) и n=f (t) для режима пуска на второй ступени (см. рис.7).

Рисунок.7. График переходных процессов М, щ=f (t) для второй ступени пусковой характеристики (t _пп = 0.39 с).

Выход на первую рабочую ступень

R_{я. пуск1}=0.507 Ом; с;

М_нач=М_пуск=-315 Н· м; М_{кон. фикт}=М_с2=-110 Н· м.

При расчете переходного процесса М=f (t) для выхода на первую рабочую ступень характеристики в качестве конечного значения момента берется величина М_{кон. фикт}, а расчет ведется до значения момента, равному.

щ_нач= - 64 рад/с; рад/с.

При расчете переходного процесса щ=f (t) характеристики в качестве конечного значения скорости берется величина щ_{кон. фикт}, а расчет ведется до значения скорости, равной:

Полученные значения начальных, конечных значений момента и скорости подставляем в выражения для расчета переходных процессов.

;

Полученные расчетные значения заносим в табл.7.

Таблица 7.

По данным табл.6 строим графики переходных процессов М=f (t) и щ=f (t) для выхода на первую рабочую ступень (см. рис.8).

Рисунок.8. График переходных процессов М, щ=f (t) для третьей ступени пусковой характеристики с выходом на первую рабочую ступень (t _пп =2.1824с).

Переходные процессы в режиме торможение противовключением с выходом на вторую рабочую ступень

R_ст2=6.452 Ом; с;

М_нач=М'_пуск=330 Н· м; М_кон=М_с2=-110 Н· м.

щ_нач =108 рад/с.

При расчете переходного процесса М=f (t) в качестве конечного значения момента берется величина М_{кон. фикт}, а расчет ведется до значения момента, равному М_c1 =110 Н· м.

щ_нач= 108; рад/с;

щ_нач= 0; рад/с;

Полученные значения начальных, конечных значений момента и скорости подставляем в выражения для расчета переходных процессов Полученные расчетные значения заносим в табл.9.

По данным табл.9 строим графики переходных процессов М, щ=f (t).

Рисунок.9. График переходных процессов М, щ=f (t) для перехода на вторую рабочую ступень (t _пп =3.616 с).

Переходные процессы для режима динамического торможения

R_дт=0.48Ом; с;

М_нач=М_пуск=-315 Н· м; М_кон=М_с1=110 Н· м. до М=0

щ_нач =50 рад/с. рад/с до щ=0

Полученные значения начальных, конечных значений момента и скорости подставляем в выражения для расчета переходных процессов Полученные расчетные значения заносим в табл.9.

По данным табл.9 строим графики переходных процессов М, щ=f (t) (см. рис.10).

Рисунок 10. График переходных процессов М, щ=f (t) в режиме динамического торможения (t=0.525c)

Рисунок 11. Графики переходных процессов M=f (t) и щ= f (t) заданного цикла работы: I — разгон двигателя в две ступени с выходом на первую рабочую ступень; II — работа на первой ступени; III-выход двигателя на вторую рабочую ступень; IV-работа на второй ступени; V — режим динамического торможения до нулевой скорости.

7. Проверка двигателя по нагреву

Проверка двигателя по нагреву (метод эквивалентных величин)

Метод эквивалентного тока

где — определяем через площадь графика I²=f (t) (см. рис. 24,25,26);

t_р — суммарное время работы на скоростях щ_и1 и щ_и2;

t_пп — суммарное время переходных процессов.

Площадь находим, как сумма площадей, показанных на рисунке:

Например, S_a=S_1a+S_1b=t₁• (32 500−16 800) •0.5+t₁•16 800=4456 +9537=13 993 A²•c

Рисунок 12. Переходный процесс работы двигателя

Рисунок 13. Переходный процесс пуска двигателя и выхода двигателя на первую рабочую ступень и работа на ней

Рисунок 14. Режим перехода двигателя на вторую скорость и работа на ней

Рисунок 15. Режим динамического торможения со второй рабочей ступени до нулевой скорости

Правильность выбора двигателя определяется условием

. Имеем

А²; А.

Условие проверки двигателя по нагреву

=А.

Условие проверки двигателя по нагреву выполняется.

Заключение

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

Был выбран двигатель постоянного тока последовательного возбуждения типа Д-41, рассчитаны и построены естественные и регулировочные механические и электромеханические характеристики двигателя, выбран реостатный способ пуска, регулирования скорости и торможения в пределах цикла, рассчитаны и выбраны по каталогу ящик сопротивлений № 55; рассчитаны и построены переходные характеристики щ=f (t) и М=f (t) за цикл работы, произведена проверка выбранного двигателя на нагрев. Выбранный двигатель удовлетворяет требованиям производственного механизма.

1. А. Ю. Чернышев, Н. В. Кояин. Проектирование электрических приводов: Учебно — метод. пособие. — Томск: Издательство ТПУ, 2005. — 120 с.

2. Р. Ф. Бекишев, Ю. Н. Дементьев. Общий курс электропривода: Учебное пособие. — Томск: Издательство НИ ТПУ, 2010. — 302с.

3. Н. В. Кояин. Проектирование электрических приводов. Ящики резисторов: Техническая информация. — Томск: Издательство ТПУ, 2005. — 13 с.