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

Содержание

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 ?=f (t), м=f (t) за цикл работы и построение нагрузочной диаграммы электропривода

7. Проверка двигателя по нагреву

Заключение

Список литературы

Введение

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.

Ммех. =750 Н×м - момент нагрузки (механизма) на валу двигателя,

?перед. = 0.85 - коэффициент полезного действия передачи,

Јмех. = 85 кг×м2 - 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: ПВкат =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 ?0 = 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 kЗ = (1.1÷1.3) - коэффициент запаса;

?мех - КПД передачи при nмакс,

Принимаем kЗ=1.2.

кВт.

Выбор двигателя.

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

Таблица 1.

ТипUH, ВРН, кВтnН, об/минIH, ARя+Rд. п., ОмJ, кг×м2Д-4122017.5116090.50,0720,8

Определим передаточное отношение редуктора:

,

где - номинальная угловая скорость вращения двигателя.

В нашем случае:

.

Принимаем передаточное отношение редуктора из стандартного ряда передаточных чисел:

iр. ст =8

2. Расчёт и построение естественных механических и электромеханических характеристик двигателя

Определяем сопротивление якоря горячее:

Ом,

где ? - перегрев обмоток двигателя относительно начальной температуры (15°С), град. Принимаем ? = 75°С.

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/iст. р?? 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 ?=f (I) и механической ?=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.

I, A0Iн =90.52· Iн=181M, Н·м0157.47314.94?, рад/с126.45121.4116.7

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

Рисунок.4. Естественная механическая ?=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 = (1.5÷2) ?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 ?=0, следовательно:

R я. пуск 1=Uн/ 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 Мс1=110.29 Н·м необходимо обеспечить скорость ?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 Мс2=110.29 Н·м необходимо обеспечить скорость ?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.

Пусковая характеристика 1 ступеньМ, Н·м0Мпер=-225Мпуск=-315?, рад/с-126.44-360Пусковая характеристика 2 ступень М, Н·м0Мпер=-225Мпуск=-315?, рад/с-126.44-64-36Первая рабочая ступеньМ, Н·м0М ст1 =-110М пуск =-315?, рад/с-126.44-108-64Вторая рабочая ступеньМ, Н·мМ ст1 =-110330М ст2 =110?, рад/с-10810850

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 Iдоп > Iкат. расч:

Rст1=0.4134Ом, Rст2=6.3584 Ом

Rст2= Rст2 - Rст1=6.3584-0.4134=5.945 Ом.

Ящик сопротивлений №55

Продолжительный ток, АСопротивление ящика, ОмСопротивление элемента, ОмЧисло элементов641.10.0556+4+4+6=20

Rст1=4×0.055+4×0.055=0.44Ом

Rст2=5× Rящ+4×0.055+4×0.055=5.94 Ом

Rст2= Rст1+ Rст2=0.44+5.94=6.38 Ом (было 6.36 Ом)

Rя. ст1= Rст1+ Rдв гор=0.44+0.0936=0.5336 Ом (было 0.507 Ом)

Rя. ст2= Rст2+ Rдв 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 (?и1 и ?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=Мпуск=315 Н·м, необходимо обеспечить скорость ?=?и2= 50 рад/с. Добавочное сопротивление ступени определяется из выражения

, ,

Rдв. гор+ Rпв= 11.9 Ом;

Rдт=10.75

Rдт= R1+ R2+ R3+ R4+ R5=0.7+1.4+2.03+3.64+3.08=10.75 Ом;

Данные для построения характеристики торможения заносим в табл.4.

Таблица 4.

М, Н·м0-29.321?, рад/с0101.736

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

Мпуск - Мпер Мс1 +Мпер +Мпуск

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 ?=f (t), м=f (t) за цикл работы и построение нагрузочной диаграммы электропривода

Расчет переходных процессов проводим по выражениям

,

,

,

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

Мкон, Iкон, ?кон - конечные значения соответственно момента, тока и скорости;

t - текущее время, с;

- электромеханическая постоянная времени, с;

J? - суммарный момент инерции, кг·м2;

;

k= (1.5÷1.3) - коэффициент, учитывающий момент инерции редуктора, принимаем k=1.4;

Jдв - момент инерции двигателя, кг·м2;

Jмех - момент инерции механизма, кг·м2;

- передаточное число редуктора;

Ri - 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

Rст1=1.215 Ом; с;

Мнач=Мпуск=-315 Н·м; Мкон. фикт=Мс2=-110 Н·м.

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

?нач=0; рад/с.

При расчете переходного процесса ?=f (t) для первой рабочей характеристики в качестве конечного значения скорости берется величина ?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.

t, с00.10.30.4 0.50.57М, Н·м-315-295.2-261-246.4-223.2-225?, рад/с0-7.9-21.6-27.4-32.7-36

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,?=f (t) для первой ступени пусковой характеристики (t пп = 0.57 с).

Вторая ступень пусковой характеристики

Rя. пуск1=0.84 Ом; с;

Мнач=Мпуск=-315Н·м; Мкон. фикт=Мс1=-110 Н·м.

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

?нач=-36; рад/с.

При расчете переходного процесса ?=f (t) для второй пусковой характеристики в качестве конечного значения скорости берется величина ?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.

t, с00.10.20.30.39М, Н·м-315-287 -263-242-225?, рад/с-36-44-51-57-64n, об/мин

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,?=f (t) для второй ступени пусковой характеристики (t пп = 0.39 с).

Выход на первую рабочую ступень

Rя. пуск1=0.507 Ом; с;

Мнач=Мпуск=-315 Н·м; Мкон. фикт=Мс2=-110 Н·м.

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

?нач= - 64 рад/с; рад/с.

При расчете переходного процесса ?=f (t) характеристики в качестве конечного значения скорости берется величина ?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.

t, с00.20.51.01.32.1824М, Н·м-315-236-171-128-119-110?, рад/с-64-81-95-104-106-108

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

Рисунок.8. График переходных процессов М,?=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

Rст2=6.452 Ом; с;

Мнач=Мпуск=330 Н·м; Мкон=Мс2=-110 Н·м.

?нач =108 рад/с.

При расчете переходного процесса М=f (t) в качестве конечного значения момента берется величина Мкон. фикт, а расчет ведется до значения момента, равному Мc1 =110 Н·м.

?нач= 108; рад/с;

?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.

t, с00.51.01.52.03.616М, Н·м330290253220190110?, рад/с-108-79-54-31-9.950

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

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

Переходные процессы для режима динамического торможения

Rдт=0.48Ом; с;

Мнач=Мпуск=-315 Н·м; Мкон=Мс1=110 Н·м. до М=0

?нач =50 рад/с. рад/с до ?=0

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

Полученные расчетные значения заносим в табл.9.

t, с00.10.20.40.50.525М, Н·м-315-218-144-41.6-7.20?, рад/с5034213.72.10

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

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

Рисунок 11. Графики переходных процессов M=f (t) и ?= 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);

tр - суммарное время работы на скоростях ?и1 и ?и2;

tпп - суммарное время переходных процессов.

Площадь находим, как сумма площадей, показанных на рисунке:

Например, Sa=S1a+S1b=t1? (32500-16800) ?0.5+t1?16800=4456 +9537=13993 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 ?=f (t) и М=f (t) за цикл работы, произведена проверка выбранного двигателя на нагрев. Выбранный двигатель удовлетворяет требованиям производственного механизма.

Список литературы

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

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

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

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования "НАЦИОНАЛЬ

Больше работ по теме: