СОДЕРЖАНИЕ
1. ВВЕДЕНИЕ
2. ОПИСАНИЕРАБОЧЕЙ МАШИНЫ И ЕЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
3. РАСЧЕТМОМЕНТОВ СТАТИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ МОЩНОСТИЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
4. ОБОСНОВАНИЕВЫБОРА РОДА ТОКА И ТИПА ЭЛЕКТРОПРИВОДА
5. ВЫБОРЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНОГО ЧИСЛА РЕДУКТОРА
6. РАСЧЕТПРИВЕДЕННЫХ СТАТИЧЕСКИХ МОМЕНТОВ, МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ И КОЭФФИЦИЕНТА ЖЕСТКОСТИСИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОД – РАБОЧАЯ МАШИНА
7.ПРЕДВОРИТЕЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ДВИГАТЕЛЯ ПО НАГРЕВУ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
8. ВЫБОРПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИЛИ СТАНЦИИ УПРАВЛЕНИЯ
9. СОСТАВЛЕНИЕСТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И РАСЧЕТ ЕЕ ПАРАМЕТРОВ
9.1 Структурнаясхема механической части электропривода
9.2 Структурнаясхема электромеханического преобразования энергии
9.3 Структурныесхемы электрических преобразователей энергии
9.4 Структурныесхемы электроприводов
10. РАСЧЕТСТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИВОДА
10.1 Естественныехарактеристики асинхронного двигателя
10.2 Расчетчастоты и напряжения двигателя в системе ПЧ–АД при работе в заданной точке
10.3 Расчетчастоты и тока статора двигателя в системе источник тока – асинхронныйдвигатель (ИТ-АД)
10.4 Расчетпараметров схем включения, обеспечивающих пуск и торможение двигателя
11 РАСЧЕТПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ И ПОСТРОЕНИЕ НАГРУЗОЧНЫХ ДИАГРАММ
11.1 Переходныепроцессы в двигателе
11.2 Переходныйпроцесс в механической части электропривода с упругими связями
11.3 Электромеханическийпереходный процесс
12 РАСЧЕТЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
13 ВЫБОРПУСКОВЫХ И ТОРМОЗНЫХ РЕЗИСТОРОВ И ПРОВЕРКА ИХ ПО НАГРЕВУ
14 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
15 СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ
1. ВВЕДЕНИЕ
Мехатронная система (МС) — это неразделимаясовокупность механических, электромеханических и электронных узлов, в которыхосуществляется преобразование и обмен энергии, информации.
В современных мехатронных системах преобразованиедвижения одного или нескольких тел в требуемые движения других телосуществляется системой тел (деталей), называемых механизмом. Механизмы входятв состав машин — технических систем (ТС) и предназначены для осуществлениямеханических движений по преобразованию потоков энергии, силовых взаимодействий,необходимых для выполнения различных рабочих процессов. Часто силовой основойМС является электропривод постоянного или переменного тока, формирующийуправляемую электромеханическую систему широкого назначения. Дляэлектромеханических систем управления характерна тесная взаимосвязьэлектромеханической части с энергетическим каналом питания и каналомуправления, что обуславливает ожидаемые характеристики проектируемогоустройства часто в равной степени всеми функциональными звеньями. Управляемые комплексыс электрическим приводом (система, состоящая из двигателя и связанных с нимустройств приведения в движение одного или нескольких исполнительныхмеханизмов, входящих в состав МС) получили название электромеханических систем(ЭМС).
Электромеханические (ЭМС) и мехатронные (МС) системыпредставляют собой вполне определенный класс технических систем (ТС) —упорядоченное, целесообразное сочетание взаимосвязанных и взаимодействующихмеханических, электротехнических, электронных и микропроцессорных компонентов,образующих определенную управляемую целостность. Важнейшей составляющей любойтехнической системы является привод, используемый для осуществления движениякаких-либо элементов ТС относительно других, преобразуя какой-либо вид энергиив механическую работу. Привод, являясь элементом (подсистемой) ТС, в общемслучае состоит из трех основных частей: источника движения (двигателя),передачи, связывающей двигатель с перемещаемым элементом или' исполнительныморганом машины или оборудования, и устройств управления (системы управления).Привод всегда имеет два канала — силовой и информационный. По первомутранспортируется преобразуемая энергия, по второму осуществляется управлениепотоком энергии, а также сбор и обработка информации о состоянии и режимахфункционирования приводной системы в целом. Для осуществления как силовых, таки управляющих функций привода используются различные виды энергии. По видуприменяемой энергии приводы разделяют на электрические (электроприводы),гидравлические, пневматические и комбинированные, а по способу подключения кисточнику питания — с автономным и не автономным энергоснабжением. Всовокупности преобразования и распределения преобразуемой энергии приводыобычно составляют основную компоненту всех технических систем (ТС). В общемслучае двигательные технические подсистемы представляют собой достаточносложные управляемые энергосиловые устройства ТС, рассматриваемые какцелесообразные и неразделимые совокупности источников энергопитания,исполнительных, двигателей (электрического, гидравлического, пневматического итеплового) и передаточных механизмов объекта управления, аппаратуры управления.
Аппаратура управления приводамиосуществляет стабилизацию или изменение параметров движения (перемещения,скорости, ускорения, силовых воздействий) исполнительного (передаточного)механизма ИМ, рабочего органа РО ЭМС, МС, регулируя процесс преобразования иобмена энергией в силовом и информационном каналах управления.
Многообразие и сложностьвыполняемых приводом функций в ЭМС, МС системах обусловливает теснуювзаимосвязь трех подсистем преобразования: вещества, энергии, информации. В тоже время, среди перечисленных подсистем невозможно выделить главную, ивторостепенную, представляющих в совокупности единую автоматизированную системууправления заданным процессом преобразования энергии.
В современных ЭМС, МСпреобразование движения одного или нескольких тел в требуемые движения другихтел осуществляется системой тел — исполнительными механизмами (ИМ). Механизмывходят в состав машин различных технических систем и предназначены дляосуществления механических движений по преобразованию потоков энергии, силовыхвоздействий, формируемых приводами ЭМС, МС и необходимых для качественноговыполнения заданных рабочих (технологических) процессов при функционированииТС.
Создание нового образца МС обычносопровождается использованием в разнообразных вариантах гибких технологическихрешений. Разновидностью этого принципа является модульный подход. Модули могутлегко соединяться, образуя сложные технические системы, разъединяться,заменяться с целью формирования ТС с другимикомпонентами и техническими характеристиками при необходимости модернизации,ремонта. В общем случае модуль характеризуется конструктивной и технологическойзавершенностью, обладает строго фиксированными параметрами (функциональнымихарактеристиками, геометрическими размерами), принадлежащими заранееустановленным параметрическим типоразмерным рядам.
2.ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ МАШИНЫ И ЕЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
2.1 Исходные данные для проектирования электроприводацепного транспортера
Объектом для проектированияэлектропривода является механизм с повторно-ратковременным режимом работы (механизм подъема экскаватора, крана, механизм передвижения тележки или мостакрана, механизм поворота экскаватора и т.п.). Нагрузка механизма изменяется втечение цикла, включает в себя разгон до рабочей скорости, выполнение работы наэтой скорости, торможение или реверс и возвращение на повышенной скорости висходное положение. В процессе работы механизма возникает необходимостьрегулирования скорости и момента, ограничения предельных значений момента,ограничения ускорения рабочего органа. Возникают режимы наброса и сбросанагрузки.
Исходными данными дляпроектирования электропривода являются:
– кинематическая схема рабочегооргана с указанием вращающихся и поступательно движущихся динамических масс иусилий (моментов) сопротивления движению;
– скорости движения рабочего органапри различной загрузке с допускаемыми отклонениями от заданного значения;
– допускаемые значения ускорениярабочего органа по условиям механической прочности или условиямтехнологического процесса;
– время работы для выполнениятехнологической операции и число циклов в час;
– линейное перемещение (или уголповорота вала) РО;
– линейные (или предельные)жесткости соединительных валов РО;
– система электроснабжения участка(цеха), в котором работает механизм;
– условия окружающей среды (задымленность,вентиляция, влага и т.п.).
Грузовой лифт предназначен дляподъёма груза с нижней площадки на верхнюю. Вниз клеть может спускаться как безгруза, так и с грузом. Цикл работы лифта включает в себя времена подъёма иопускания клети, а также времена загрузки и выгрузки. Подъём клети происходит сустановившейся скоростью Vр, а опускание – со скоростью Vв > Vр.
В процессе расчета необходимо определить наиболеезагруженный для двигателя режим работы, обеспечить выполнение требований поускорению лифта и возможность его работы с разными грузами на подъем и наспуск.
Кинематическая схема электропривода приведена нарисунке 1.
/>
Рисунок 1 — Кинематическая схема электроприводагрузового лифта:1 – канатоведущий шкив;2 –редуктор; 3 – тормозной шкив; 4 – двигатель; 5 – клеть; 6 – противовес.
Технические данные транспортера(вариант 31) приведена таблице 1.
Таблица 1Параметр Обозначение Значение Грузоподъемность, кг mг 5 Масса клети, кг mк 6 Масса противовеса, кг mп 9,5 Диаметр канатоведущего шкива, м D 0,4 Линейная жесткость, МН/м Сл 105 Высота подъема клети, м h 8 Скорость подъема клети, м/с Vр 0,25 Скорость опускания, м/с Vв 0,35 Допустимое ускорение, м/с² а 0,5 Число циклов в час z 30 Суммарное время работы, не более, с tр 85
3.РАСЧЕТ МОМЕНТОВ СТАТИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ МОЩНОСТИЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Расчет моментов при движении сгрузом:
Масса всех движущихся частей: />
Равновесная масса: />
– момент сил трения в подшипниках
/>
– момент трения качения
/>
Статический момент рабочей машиныравен:
/>
Для определения динамическихмоментов рабочей машины рассчитываются моменты инерции рабочей машины (рабочегооргана):
/>
При заданной величине допустимогоускорения a для каждого режима рабочей машины определяются динамическиемоменты
/>
Полный момент рабочей машины
— при пуске:
/>
— при работе с установившейсяскоростью:
/>
— при торможении:
/>
Нагрузочная диаграмма моментоврабочей машины представлена на рисунке 2.
/>
Рисунок 2 — Нагрузочная диаграммамоментов рабочей машины при движении с грузом
Расчет моментов при движении безгруза:
Масса всех движущихся частей:
/>
– момент сил трения в подшипниках
/>
Статический момент рабочей машиныравен:
/>
Для определения динамическихмоментов рабочей машины рассчитываются моменты инерции рабочей машины (рабочегооргана):
/>
При заданной величине допустимогоускорения a для каждого режима рабочей машины определяются динамическиемоменты
/>
Полный момент рабочей машины
— при пуске
/>
— при работе с установившейсяскоростью:
/>
— при торможении:
/>
Нагрузочная диаграмма моментоврабочей машины представлена на рисунке 2.
/>
Рисунок 3 — Нагрузочная диаграммамоментов рабочей машины при движении без груза
На базе исходных данных рабочеймашины рассчитывают и строят зависимости скорости рабочей машины от времениv(t). Участки различаются значениями статических нагрузок и моментов инерции.На основе заданных путей перемещения α, уcтановившейся скорости vyи допустимого ускорения a рассчитываем:
– время пуска tп доустановившейся скорости с допустимым ускорением, торможения tт отустановившейся скорости до остановки
/>
При рабочем ходе:
/>
При транспортировке:
/>
– путь, проходимый за время пуска(торможения) рабочей машиной,
/>
При рабочем ходе:
/>
При транспортировке:
/>
– время установившегося режимадвижения со скоростью v
/>
При рабочем ходе:
/>
При транспортировке:
/>
Нагрузочная диаграмма скоростирабочей машины приведена на рисунке 4.
/>
Рисунок 4 — Нагрузочная диаграмма скорости рабочеймашины
На основании построеннойнагрузочной диаграммы момента рабочей машины можно рассчитатьсреднеквадратичное значение момента:
/>
в котором учтены не толькостатические нагрузки, но и часть динамических нагрузок.
Фактическое значение относительнойпродолжительности включения ПВф
рассчитывается по длительностивремени работы tk на всех m участках движения и заданному временицикла
tц = 3600 / z = 51.429(с)
где z – число циклов работы машиныв час:
/>
ПВкат=40%
При этом мощность двигателя можетбыть определена по соотношению
/>
4.ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА РОДА ТОКА И ТИПА ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Выбор рода тока и типаэлектропривода целесообразно производить на основе рассмотрения и сравнениятехнико-экономических показателей ряда вариантов, удовлетворяющих техническимтребованиям данной рабочей машины. Электродвигатели постоянного токадопускается применять только в тех случаях, когда электродвигатели переменноготока не обеспечивают требуемых характеристик механизма либо не экономичны.
В зависимости от диапазона иплавности регулирования скорости, требований к качеству переходных процессовмогут быть применены системы реостатного регулирования скорости, так и системыс индивидуальными преобразователями.
Для регулируемого привода задачавыбора типа привода решается сложнее. В зависимости от диапазона и плавностирегулирования скорости, требований к качеству переходных процессов могут бытьприменены как системы реостатного регулирования скорости, так и системы с индивидуальнымипреобразователями.
При глубоком регулировании скоростив большинстве случаев вопрос решается в пользу приводов постоянного тока.Однако конкурентными по своим свойствам являются приводы с частотным ичастотно-токовым управлением. Преимущества приводов с асинхронными двигателями– простота конструкции и повышенная надежность двигателей, возможность ихизготовления в поточном производстве. Препятствием к быстрому внедрениючастотно-регулируемых приводов является сложность систем управления, что приводитк недостаточной надежности их работы и повышенной стоимости. Появление намировом рынке частотно регулируемых электроприводов с микропроцессорнымуправлением повышает ихнадежность, но стоимость их не снижается.
5.ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНОГО ЧИСЛА РЕДУКТОРА
Для грузового лифта выбираем асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, номинальныеданные которого определены для повторно-кратковременного режима работы спродолжительностью включения 40%. Выбираем один двигатель, номинальнаямощность которого не меньше расчетной номинальной мощности и наиболее близка кней.
Выбираем двигатель 4MTКF(H)200L6.Данные выбранного двигателя приведены в таблице 2. Таблица 2Параметр Обозначение Значение Мощность номинальная, кВт
/> 22 Номинальная частота вращения, об/мин nн 935 Номинальный ток (статора), А Iн 51 Коэффициент мощности в номинальном режиме cosφ 0,79 Пусковой ток, А Iп 275 Пусковой момент, Нм Мп 706 Максимальный (критический) момент Ммакс 760 Активное сопротивление фазной обмотки статора, Ом r1 0.235 Ток холостого хода для номинального режима, А I0 31,3 Активное сопротивление короткого замыкания, Ом Rкз 0,5 Индуктивное сопротивление короткого замыкания, Ом Хкз 0,63 Коэффициент приведения сопротивлений kr 0,319 Момент инерции двигателя, кгм2 (Нм) Jдв 0,57
Передаточное число редуктораопределяется по номинальной скорости
вращения выбранного двигателяωн и основной скорости движения исполнительного органа vопо формуле:
/>
/>
где D – диаметр колеса (ролика,шкива и т.п.), находящегося на выходном валу редуктора и преобразующеговращение вала в поступательное движение исполнительного органа рабочей машины.
Редуктор выбирают по справочнику,исходя из требуемого передаточного числа, заданного значения номинальноймощности (или моментов на тихоходном и быстроходном валу) и скорости выбранногодвигателя с учетом характера нагрузки (режима работы) РО, для которогопроектируется электропривод.
Выбираем трехступенчатыйцилиндрический редуктор ЦТНД-400. Основные параметры приведены в таблице 3.
Таблица 3 – Основные параметрытрехступенчатого цилиндрического редуктора ЦТНД-400Параметр Обозначение Значение Номинальный крутящий момент на выходном валу, Нм Мн 8,7х103 Передаточное число n 20 КПД, %
/> 97
6.РАСЧЕТ ПРИВЕДЕННЫХ СТАТИЧЕСКИХ МОМЕНТОВ, МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ И КОЭФФИЦИЕНТАЖЕСТКОСТИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОД – РАБОЧАЯ МАШИНА
На этапе предварительного расчетамощности электродвигателя по заданным техническим показателям рабочей машиныбыли рассчитаны статические и динамические моменты рабочей машины. Послевыбора двигателя и редуктора, когда известны передаточное число, коэффициентполезного действия КПД редуктора, рассчитываются статические моменты рабочеймашины, к валу двигателя. Движение при рабочем ходе:
/>
Движение при транспортировке:
/>
С учетом потерь в редукторестатические моменты на валу рассчитывают в зависимости от режима работыэлектропривода. Статический момент на валу в двигательном режиме с грузом:
/>
Статический момент на валу вдвигательном режиме без груза:
/>
При работе электропривода втормозных режимах потери в редукторе вызывают уменьшение нагрузки двигателя.
Статический момент на валу втормозном режиме с грузом:
/>
Статический момент на валу втормозном режиме без груза:
/>
Номинальный момент на валудвигателя:
/>
Суммарный приведенный к валудвигателя момент инерции системы может быть рассчитан по соотношению:
/>
-при движении с грузом:
/>
-при движении без груза:
/>
Приведенный к валу двигателясуммарный момент инерции движущихся исполнительных органов рабочей машины исвязанных с ними движущихся масс:
-при движении с грузом:
/>
-при движении без груза:
/>
В проекте допускается рассчитыватьмомент инерции электропривода приближенно, принимая в формуле коэффициентδ=1,3…1,5.
Приведенную к валу двигателяжесткость упругой механической связи Спр
определяют через значениекрутильной жесткости рабочего вала (упругой муфты) через значение линейнойжесткости – по формуле:
/>
Установившаяся скорость двигателя:
При рабочем ходе:
/>
При транспортировке:
/>
Пусковые Мп и тормозныеМт моменты двигателя, при которых обеспечивается возможность разгонаи торможения электропривода с заданным допустимым ускорением:
-при движении с грузом:
/>
-при движении без груза:
/>
Пусковой момент в двигательномрежиме с грузом:
/>
Пусковой момент в двигательномрежиме без груза:
/>
Тормозной момент в тормозном режимес грузом:
/>
Тормозной момент в тормозном режимебез груза:
/>
Для приближенного расчета временипереходного процесса оцениваем
средний момент двигателя Мср:
Движение с грузом:
– при реостатном пуске
/>
– при динамическом торможении
/>
Движение без груза:
– при реостатном пуске
/>
– при динамическом торможении
/>
При питании от преобразователя сзадатчиком интенсивности средний момент двигателя можно принять равным моменту,допустимому по ускорению: – при пуске М ср = М п; – при торможении М ср= М т;
7.ПРЕДВОРИТЕЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ДВИГАТЕЛЯ ПО НАГРЕВУ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
Расчет времени переходных процессов:
/>
Движение с грузом:
— при пуске
/>
— при торможении
/>
Движение без груза:
— при пуске
/>
— при торможении
/>
Расчет угла поворота вала двигателяза время переходного процесса
/>
Движение с грузом:
— при пуске
/>
— при торможении
/>
Движение без груза:
— при пуске
/>
— при торможении
/>
Расчет времени работы сустановившейся скоростью:
/>
/>
Движение с грузом:
/>
Движение без груза:
/>
Рассчитанные параметры приведены втаблице 4.
Таблица 4
Участок
Движения Движение с грузом Движение без груза пуск
уст.
режим
тормо-
жение пуск
уст.
режим
тормо-
жение t, с 0,5 31,26 0,5 0,7 22,33 0,7 α, м 0,06 7,88 0,06 0,122 7,756 0,122 ν, м/c 0,12 0,25 0.12 -0,17 -0,35 -0.17 Мрост, кН∙м 2,99 2,99 2,99 6,897 6,897 6,897 Jрост, кг∙м2 820,1 820,1 820,1 635,1 635,1 635,1 Мродин, кН∙м 2,05 -2,05 1,588 -1,588 Мро, кН∙м 5,04 2,99 0,9 8,486 6,897 5,31 Мрc, Н∙м 59,81 59,81 59,81 137,9 137,9 137,9 Мвс, Н∙м 61,65 58 142,2 133,8 Мс, Н∙м 61,65 58 142,2 133,8 ωc, рад/с 31,2 62,5 31,2 42 83,5 42 Jпр, кг∙м2 0,328 0,328 0,328 0,25 0,25 0,25 J, кг∙м2 37,81 37,81 37,81 42,34 42,34 42,34 Мдин, Н∙м 4726 4726 4726 5292 5292 5292 Мдоп.уск, Н∙м 536 536 536 536 536 536 Мср, Н∙м 2430,5 2334 2802,6 2579,1 t, с 0.5 31,74 0,52 0,67 23,6 0,73 α, рад 7,8 1984,1 8,1 14,1 1970,57 15,33
Предварительная проверка двигателяпо нагреву осуществляется по величине
среднеквадратичного момента:
/>
М доп=536(Н∙м); М доп*0.8=428,8(Н∙м)
Полученные значения показывают, что выбранныйдвигатель по нагреву подходит.
8. ВЫБОРПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИЛИ СТАНЦИИ УПРАВЛЕНИЯ
Комплектный тиристорныйэлектропривод включает в себя:
– электродвигатель;
–силовой трансформатор (илитокоограничивающий реактор);
–силовой тиристорныйпреобразователь для питания двигателя, состоящий из силовых тиристоров ссистемой охлаждения, защитных предохранителей, разрядных, фильтрующих изащитных R, L, С — цепей;
–для привода постоянного тока –тиристорный преобразователь для питания обмотки возбуждения при регулируемоммагнитном потоке двигателя постоянного тока;
–систему импульсно-фазовогоуправления, устройства выделения аварийного режима, контроля предохранителей изащиты от перенапряжений;
–коммутационную и защитнуюаппаратуру в цепях постоянного и переменного тока;
–сглаживающий реактор в цепипостоянного тока (при необходимости);
–устройство динамическоготорможения (при необходимости);
–шкаф высоковольтного ввода (принеобходимости);
–систему управленияэлектроприводом;
–комплект аппаратов, приборов иустройств, обеспечивающих оперативное управление, контроль состояния исигнализацию электропривода;
–узлы питания обмотки возбуждениятахогенератора и электромеханического тормоза.
В проекте выбираютсяэлектродвигатель, силовой тиристорный преобразователь для питания двигателя,силовой трансформатор для питания преобразователя (или токоограничивающий реактор),сглаживающий реактор в цепи постоянного тока (при необходимости).
Питание двигателей постоянного токапредусматривается от преобразователей по трехфазной мостовой схеме выпрямленияс раздельным управлением тиристорных групп. Условие выбора преобразователейUнтп>=Uн;Iнтп >=Iн.Для проекта выбираетсяэлектропривод транзисторный регулируемый асинхронный Триол АТО5,техническиеданные которого приведены в таблице 5.
Таблица 5Параметр Значение Питающая сеть 3х380 В( +10%, –15%) Выходное напряжение 3х ( 0…380 В )+ – 2% Выходная частота 0…400 Гц + – 0,05% Ток перегрузки 150% номинального значения в течение 60 с. Коэффициент полезного действия не менее 0,95. Полная мощность, кВа 28 Номинальный ток нагрузки Iн, А 45
Принципиальная схема электроприводаприведена на рисунке 5.
/>
Рисунок 5 — Схема силовых цепей ифункциональная схема управления электропривода АТО5
АИН – автономный инверторнапряжения;
ДТ – датчики тока;
М – асинхронный электродвигатель;
ИП – источник питания ( конвертор);
ДН – датчик напряжения;
ФИ – формирователь управляющихсигналов транзисторов (драйвер);
МК – микропроцессорный контроллер;
УВВ – устройство ввода / вывода (внешний интерфейс );
ПУ – пульт управления.
9.СОСТАВЛЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И РАСЧЕТ ЕЕ ПАРАМЕТРОВ
9.1 Структурная схема механической части электропривода
Механическая часть электроприводавключает в себя движущиеся массы двигателя, передачи и рабочей машины.Структурные схемы механической части должны учитывать упругие связи ираспределение моментов инерции между двигателем и рабочей машиной.Многомассовые упругие системы чаще всего сворачиваются в двухмассовые системы сприсоединением малых маховых масс к звеньям механической части, обладающимибольшими маховыми массами, т.е. к ротору двигателя и рабочей машине. Дифференциальныеуравнения, описывающие поведение двухмассовой упругой системы, без учётадиссипативных сил и зазоров в передаче, имеют вид:
/>
Сделав необходимые преобразования,получим систему дифференциальных уравнений:
/>
Коэффициенты при производныхпредставляют собой постоянные времени:
– двигателя
/>
– упругого звена
/>
— рабочего органа
/>
Структурная схема двухмассовойупругой системы приведена на рисунке 6.
/>
Рисунок 6 — Структурная схемадвухмассовой упругой системы
Главные инерционные массы,представленные интегрирующими звеньями с постоянными времени Тдв и Тро,разделены интегрирующим звеном с постоянной времени Тс.
9.2Структурная схема электромеханического преобразования энергии
Математическое описаниеасинхронного двигателя при наличии шести обмоток на статоре и роторе с учётомих взаимного расположения, множества связей между ними, блоков произведения инелинейностей достаточно сложно. В практике электропривода находят применениеметоды, в которых математическое описание упрощается за счёт различныхдопущений. Представление двигателя в виде эквивалентной двухфазной машины позволяетнесколько упростить математическое описание и структурную схему асинхронногодвигателя. Переход к упрощенной структурной схеме на основании записи уравнениямомента двигателя М(s) в частных производных по напряжению питания, частоте искорости оставляет нелинейные коэффициенты усиления. Для рассмотренияпереходных процессов на рабочем участке механической характеристики возможноприменение более простого соотношения между моментом и скоростью двигателя –формулыПинчука И.С.
/>
где β = 2*Мк / (ω0н*Sк) –модуль жесткости линеаризованной механической характеристики.
Передаточная функцияэлектромеханического преобразования энергии в асинхронном двигателе:
/>
После преобразований структурнаясхема асинхронного двигателя для рабочего участка механической характеристикиполностью повторяет структурную схему двигателя постоянного тока независимоговозбуждения (см. рисунок 5).
/>
Рисунок 6 — Апериодическое звено
Для асинхронного двигателя
/>
Пределы целесообразногоиспользования полученных соотношений ограничиваются значениями момента – 0,8*Мк≤ М
Если необходимо рассматриватьработу асинхронного двигателя при больших скольжениях, при частотном регулированиискорости и момента в широких пределах следует обращаться к более сложномуматематическому описанию преобразования. 9.3 Структурные схемы электрических преобразователей энергии
Электрическое преобразованиеэнергии выполняют различные устройства: тиристорные и транзисторныепреобразователи переменного тока в постоянный, преобразователи частоты,широтно-импульсные преобразователи и пр., а также обычные резисторы,устанавливаемые в силовую цепь двигателя. Преобразователи электрической энергиииспользуются в качестве регуляторов мощности, обеспечивая подачу на зажимыдвигателя заданного напряжения или тока в зависимости от требований кэлектроприводу как в установившихся, так и в переходных режимах.
При питании силовой цепи двигателяот сети неизменного напряжения в качестве регулятора мощности применяютдобавочные сопротивления в силовой цепи и релейно-контакторные станцииуправления для включения или выключения ступеней этих сопротивлений.Соответствующий подбор этих резисторов обеспечивает правильную пусковуюдиаграмму (реостатное регулирование момента) и требуемую скорость движениярабочего органа (реостатное регулирование скорости).
При питании двигателя постоянноготока от тиристорного преобразователя в силовую цепь дополнительно включаютсяактивные и индуктивные сопротивления обмоток трансформатора (илитокоограничивающего реактора) и сглаживающего реактора, в результате возрастаютRяц и Lяц и изменяются параметры структурной схемы Кяц и Тя.
Силовая часть тиристорного преобразователяотносительно мгновенных значений входной и выходной координат представляетсобой нелинейную импульсную систему, которая в полосе пропускания частот,ограниченной практически частотой сети, может рассматриваться какбезынерционное звено с косинусоидальной зависимостью средней ЭДС Еdот угла открывания α. Фазовые сдвиги угла α относительно напряженияуправления Uу вносит система импульсно-фазового управления.
Передаточная функция тиристорногопреобразователя для линейного участка регулировочной характеристики Еd= f(Uу) имеет вид
/>
Ктп = Еd / Uу– коэффициент усиления преобразователя.
С целью упрощения расчётов настадии выбора и расчёта элементов силовой части электропривода появляетсявозможность не учитывать инерционность ТП и представлять ТП безынерционнымзвеном с коэффициентом усиления Ктп. Учёт падения напряжения вэлементах преобразователя при изменении нагрузки учитывается изменениемпараметров структурной схемы Кяц и Тя.
Всё приведенное выше относится кпреобразователям частоты. Более того, в связи с тем, что в схеме ПЧ в контурепротекания токов включено большее число элементов (тиристоров, дросселей ит.п.), электрические данные которых на стадии проектирования неизвестны, атакже учитывая наличие внутренних обратных связей в преобразователе,обеспечивающих поддержание заданного напряжения на выходе при изменениинагрузки, появляется возможность не учитывать падение напряжения внутрипреобразователя (считать его внутреннее сопротивление равным нулю).
Таким образом, тиристорныйпреобразователь электрической энергии является безынерционным звеном скоэффициентом усиления Ктп.
Выходное напряжение и частотапреобразователей формируется на их входе с помощью входных устройств. Внастоящее время практически все преобразователи укомплектованы задатчикамиинтенсивности ЗИ с различными законами изменения управляющего напряжения.
Наиболее часто применяютинтегральные ЗИ, обеспечивающие плавное линейное нарастание управляющего напряжения,и пропорционально-интегральные ЗИ, в котором совместно с интегральным каналомработает пропорциональный канал. Структурная схема ЗИ для участка линейногоизменения напряжения на рисунке 7.
/>
Рисунок 7 — Структурная схема ЗИдля участка линейного изменения напряжения
9.4Структурные схемы электроприводов
Полная структурная схемаэлектропривода включает в себя структурные схемы составных частей: механическойчасти, электромеханического преобразователя энергии, электрическогопреобразователя и задающего устройства.
Структурная схема системы ПЧ – АД вобщем виде сложна. Если допустить определённые ограничения (β = const, Мк= const и др.), то для настройки систем управления можно составить структурнуюсхему для рабочего участка механической характеристики. Однако при такихдопущениях возникают погрешности в расчётах электромеханического преобразованияэнергии. Отсутствуют способы расчета токов в цепях двигателя. Существенноискажаются показатели нагрева, так как для расчета приходится использоватьметод эквивалентного момента, также искажаются энергетические показателисистемы электропривода. Поэтому сложность структурной схемы ПЧ – АД зависит отзадач, которые с её помощью нужно решать.
10.РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИВОДА
10.1 Естественные характеристики асинхронного двигателя
Наиболее точной механическойхарактеристикой асинхронного двигателя является каталожная зависимость М(S), илишь при отсутствии каталожной зависимости приходится обращаться к приближеннымрасчетам.
При увеличении номинальной мощностиРн двигателя величина активного сопротивления статора снижается, а при Рн >10 кВт можно пренебречь его величиной r1 ≈ 0. Тогда a = 0, выражениемеханической характеристики (14.14) преобразуется к виду:
/>
а выражение критического скольжения– к виду:
/>
где μк – перегрузочнаяспособность асинхронного двигателя.
/>
/>
Момент потерь холостого ходаасинхронного двигателя Мх рассчитать довольно сложно из-за отсутствия каталожныхданных по сопротивлениям статора и ротора. Поэтому в расчетах асинхронногоэлектропривода можно не учитывать момент потерь холостого хода (Мх ≈ 0),а электромагнитный момент в установившемся режиме принимать равным статическомумоменту.
Электромеханические характеристикиасинхронного двигателя – зависимости частоты вращения ротора ω от токастатора ω(I1), от тока ротора ω(I2), от тока намагничиванияω(Iμ). Расчет этих зависимостей достаточно сложен, так как необходимучет сопротивлений статора и ротора и их изменений в зависимости от частотытоков ротора и статора. Также при расчете необходимо учитывать изменениесопротивления контура намагничивания с помощью кривой намагничивания. Чащевсего на стадии проектирования электропривода сопротивления обмоток и криваянамагничивания не известны.
С достаточной точностью для расчетаэлектромеханических характеристик двигателя при питании от цеховой сети(напряжение постоянной амплитуды и частоты) можно использовать формулыпрофессора В.А.Шубенко. Эти формулы получены при не учете активногосопротивления статора (r1 = 0) и используют только каталожные данные двигателя.Ток холостого хода (ток намагничивания):
/>
Ток статора
/> 10.2 Расчетчастоты и напряжения двигателя в системе ПЧ–АД при работе в заданной точке
При питании асинхронного двигателяот преобразователя частоты в процессе преобразования напряжения промышленнойчастоты в напряжение регулируемой амплитуды и регулируемой частоты возникаютпотери напряжения и мощности в преобразователе. Обычно такие преобразователиимеют внутренние обратные связи, и при изменении нагрузки двигателя выходноенапряжение и частота практически не изменяются. Поэтому в дальнейшем напряжениеи частоту на статоре двигателя будем считать независящими от нагрузки.
Синхронная скорость двигателяω0 зависит от частоты питающей сети f1 и числа пар полюсов рn:
/>
Для устойчивой работы двигателянеобходимо при изменении частоты поддерживать перегрузочную способностьдвигателя, что обеспечивается регулированием напряжения на статоре по различнымзаконам в зависимости от частоты и от характера изменения статического момента.Эти особенности необходимо учитывать при расчете частоты и амплитудынапряжения.
Частота напряжения в заданнойточке:
/>10.3 Расчет частоты и тока статора двигателя в системеисточник тока – асинхронный двигатель (ИТ-АД)
При работе двигателя в режимечастых пусков и торможений большое значение имеют условия формирования пусковыхи тормозных моментов. Механические характеристики асинхронного двигателя припитании от преобразователя частоты, работающего в режиме автономного источниканапряжения, существенно снижают критический момент в зоне малых частот. Здесьсущественно влияет активное сопротивление обмотки фазы статора r1. Дляувеличения момента в зоне малых частот приходится повышать напряжение настаторе.
При питании статора двигателя отисточника тока величина тока статора не зависит от нагрузки двигателя, аопределяется лишь управляющим воздействием. Для предварительного расчетапринимают Мкт =(2…3)Мзад, обеспечивая этим перегрузочную способность двигателя,и определяют величину тока статора
Механические характеристики строятпо формуле
/>
где
/>;
/>
Характеристика M=f(S)приведена на рисунке 8.
/>
Рисунок 8 – Характеристика M=f(S)асинхронного двигателя
Механическая характеристикадвигателя строится по 4 основным точкам (см. рисунок 9).
/>
Рисунок 9 – Основные точкимеханической характеристики двигателя
Точка 1: n0= (60 f) /p, Точка 2 с координатами nн и Мн. Номинальная частотавращения nн задается в паспорте. Номинальный момент рассчитываетсяпо формуле:
/>
Точка 3 с координатами Мкрnкр. nкр = n0 (1 - Sкр),
Точка 4 имеет координаты n=0 и М=Мпуск.Пусковой момент вычисляют по формуле Мпуск = Мн λпускМеханическая характеристика двигателя приведена на рисунке 10.
/>
Рисунок 10 — Механическаяхарактеристика асинхронного двигателя
10.4Расчет параметров схем включения, обеспечивающих пуск и торможение двигателя
При питании двигателя отиндивидуального преобразователя появляется возможность плавного регулированиянапряжения (частоты), поэтому переходные процессы пуска и торможенияобеспечиваются формированием напряжения управления преобразователем. Вразомкнутой системе преобразователь – двигатель чаще всего применяют линейноенарастание напряжения управления, что определяет линейное нарастание напряжения(частоты) питания двигателя. В этом случае величина динамического моментадвигателя определяется темпом нарастания напряжения, и, в конечном итоге,производной скорости идеального холостого хода двигателя во времени dω0/ dt.
В установившемся режиме нарастанияскорости двигателя, когда затухают свободные составляющие переходного процесса,
/>
а величина установившегося значениядинамического момента двигателя />.
Для формирования линейного законаизменения напряжения управления на вход преобразователя подключают интегральныйзадатчик интенсивности ЗИ, выходное напряжение которого при подаче на его входскачка задающего напряжения Uзад изменяется по линейному закону. Придостижении величины Uзад нарастание напряжения на выходе ЗИпрекращается. Выходное напряжение ЗИ, таким образом, является управляющимнапряжением преобразователя, а величина Uзад определяетустановившуюся величину скорости ω0двигателя. Темп нарастанияскорости определяется величиной базовой постоянной времени ЗИ ТЗИ,численно равной времени достижения выходного напряжения преобразователя от нулядо базового значения Uн.
Базовая постоянная задатчикаинтенсивности:
/>
Механическая постоянная времени:
/>
Из полученных соотношений видно,что при различных моментах инерции J, величина TЗИ = const (см.рисунок 8).
/>
Рисунок 11 — К расчету параметровзадатчика интенсивности
11.РАСЧЕТ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ И ПОСТРОЕНИЕ НАГРУЗОЧНЫХ ДИАГРАММ
11.1 Переходные процессы в двигателе
Переходные процессы электроприводавозникают при изменении управляющих и возмущающих воздействий.
Расчёт переходных режимов необходимдля:
– определения времени и характераих протекания;
– оценки их соответствиятребованиям технологического процесса рабочего органа;
– оценки механических иэлектрических перегрузок;
– правильного выбора мощностидвигателей, преобразователей и аппаратуры управления.
Нагрузочные диаграммы, построенныедля переходных и установившихся режимов работы электропривода, дают возможностьпроверить выбранный двигатель по условиям заданной производительности, понагреву, кратковременной перегрузке и условиям пуска. Они используются такжедля проверки по нагреву пусковых и тормозных резисторов, для проверки подопускаемым нагрузкам – тиристорных преобразователей.
Переходный процесс в механическойчасти электропривода с идеально жесткими связями.
Расчёт нагрузочных диаграмм при пуске,торможении:
/>
(при постоянном моменте инерции J)и уравнения механической характеристики двигателя
/>
При питании от тиристорныхпреобразователей, когда переходные процессы формируются задатчикоминтенсивности
/>
где ω0нач–скоростьхолостого хода в начале переходного процесса при t = 0.
/>
/>
Жесткость механическойхарактеристики электропривода
/>
Движение без груза:
Электромеханическая постояннаявремени электропривода
/>
/>
/>
Переходный процесс ω(t)представлен на рисунке 12.
/>
Рисунок 12 — Переходный процессω(t)
Переходный процесс М(t)представлен на рисунке 13.
/>
Рисунок 13 — Переходный процесс М(t)
Движение с грузом.
Переходный процесс ω(t)представлен на рисунке14.
/>
Рисунок 14 — Переходный процессω(t)
Переходный процесс М(t)представлен на рисунке 15.
/>
Рисунок 15 — Переходный процесс М(t)
/>
/>
/>
11.2Переходный процесс в механической части электропривода с упругими связями
Учёт упругих связей в механическойчасти электропривода приводит к разделению вращающихся инерционных массдвигателя и рабочей машины включением между ними упругого элемента. Врезультате переходный процесс упругой системы описывается системойдифференциальных уравнений третьего порядка и уравнением механическойхарактеристики двигателя. Если принять момент двигателя М =const и статическиймомент Мрс = const, а также не учитывать коэффициент затухания системы отдействия диссипативных сил, уравнения нагрузочных диаграмм при нулевыхначальных условиях примут вид:
/>
/>
В этих формулах:
/>
/>
Движение без груза.
/>
/>
Переходная характеристика приведенана рисунке 16.
/>
Рисунок 16 — Переходный процесс вмеханической части электропривода
За счёт колебаний упругого моментаМ12 максимальная нагрузка передач
увеличивается и может существеннопревысить среднюю нагрузку, соответствующую жесткому приведенному звену:
/>
Это превышение нагрузки оцениваетсядинамическим коэффициентом:
/>
Динамический коэффициент Кдявляется важной характеристикой условий работы механического оборудования иодним из основных показателей динамических качеств системы электропривода.
Движение с грузом.
/>
/>
Переходная характеристика приведенана рисунке 17.
/>
Рисунок 17 — Переходный процесс вмеханической части электропривода
/>
/> 11.3 Электромеханическийпереходный процесс
Учёт индуктивностей обмотокдвигателя вызывает появление дополнительной (по отношению к механическомупереходному процессу) электромагнитной инерционности в системе электропривода,заставляет анализировать изменение электромагнитной энергии в переходныхпроцессах.
Электромеханический переходныйпроцесс описывается (для жесткой механической системы) системойдифференциальных уравнений второго порядка. Нагрузочные диаграммы этогопроцесса могут быть рассчитаны по аналитическим выражениям [10,11] илиинтегрированием этих дифференциальных уравнений с помощью ЭВМ.
При питании двигателя от цеховойсети, когда в переходных процессах в силовую цепь включаются добавочныерезисторы, влияние электромагнитной инерции снижается. Необходимость учёта Тэвозникает при расчёте переходных процессов, когда добавочные резисторыотсутствуют и двигатель работает на естественной характеристике.
Влияние электромагнитной инерциисущественно проявляется при отношении (Тм / Тэ)
Уравнения нагрузочных диаграмм вобщем виде для Тм / Тэ
/>
/>,
где
/>
С помощью приведенных уравненийможно рассчитать переходные процессы пуска, особенно переход на естественнуюхарактеристику, а также торможение.
Движение с грузом
/>
/>
Электромеханический переходнойпроцесс при движении с грузом приведен на рисунке 18.
/>
Рисунок 18 — Электромеханическийпереходной процесс при движении с грузом
Движение без груза
/>
/>
Электромеханический процесс придвижении с грузом приведен на рисунке 19.
/>
Рисунок 19 — Электромеханическийпереходной процесс при движении без груза
12. РАСЧЕТЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Энергетические показателиэлектропривода характеризуют экономичность преобразования энергии системойэлектропривода (коэффициент полезного действия) и экономичность потребленияэнергии от сети (коэффициент мощности).
Для электропривода, работающего вповторно-кратковременном режиме работы, универсальной оценкой энергетическихпоказателей является их средневзвешенные значения за цикл работы (цикловыезначения). Мгновенные значения КПД и cosϕмогут характеризовать экономичность работы электропривода только вустановившихся режимах работы. Цикловой КПД представляет собой отношениепроизведенной механической работы за цикл А к потребленной за это времяэлектроэнергии (активной энергии) из сети Р:
/>
/>
Для оценки циклового КПД следуетбрать отрезки времени, началу и концу которых соответствует одинаковая энергия,запасенная в элементах привода. Механическая энергия за время переходногопроцесса определяется по соотношению:
/>
Активная энергия из сети:
/>
Реактивная энергия из сети:
/>
13.ВЫБОР ПУСКОВЫХ И ТОРМОЗНЫХ РЕЗИСТОРОВ И ПРОВЕРКА ИХ ПО НАГРЕВУ
Выбор резисторов для силовых цепейдвигателя производится на основе данных электрического расчёта их величин (см.п.17.1, 18) и нагрузочных диаграмм токов.
Сначала по величине сопротивленийпусковых и тормозных резисторов выбираются ящики резисторов, как правило, сфехралевыми ленточными или проволочными элементами [3, 24].
В качестве продолжительного тока резисторовIпр на предварительном этапе принимается средняя величина за циклсреднеквадратичного значения тока силовой обмотки за время включенногосостояния резистора:
/>
По величине продолжительного токавыбирают конкретный ящик (номер ящика). Подбирается схема соединения элементов,обеспечивающая требуемую величину сопротивления каждой ступени резисторов.Затем производится проверка выбранных резисторов по нагреву, которая сводится копределению эквивалентного тока и сравнению его с допустимым продолжительнымтоком. Методика проверки выбранных резисторов по нагреву приведена в [3].Проверка может быть выполнена не для каждого, а лишь для наиболее загруженногопо эквивалентному току элемента в каждой секции.
Для определения эквивалентного токарезисторов используют данные расчета нагрузочной диаграммы тока двигателя сучетом времени обтекания током рассматриваемой секции и доли тока двигателя,проходящего через каждый элемент (при параллельном соединении элементов).Превышение эквивалентного тока над продолжительным недопустимо. Однако чрезмерныйзапас выбранных резисторов по нагреву также недопустим, так как влечёт за собойнеоправданное завышение числа ящиков резисторов и стоимости установки.
Для каждой ступени пусковой итормозной схемы в проекте должны бытьприведены значения требуемых и выбранныхсопротивлений резисторов и указаны различия между ними.
В графической части проектаприводится схема соединения элементов во всех выбранных ящиках резисторов междусобой, соединения с обмотками двигателя и подключения к коммутирующимаппаратам.
14.ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проектирования был разработанавтоматизированный электропривод грузового лифта, обеспечивающий заданнуюскорость и ускорение подьема и опускания при повторно-кратковременном режимеработы. Исследованы и проанализированы переходные процессы при различныхрежимах работы системы.
Спроектированная система удовлетворяет всемпоставленным требованиям.
15. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Драчев Г.И. Теория электропривода: Учебное пособие к курсовому проектированиюдля студентов заочного обучения спец. 180400. 2-е издание, дополненное. –Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2002. – 137 с.
2.Интернет-ресурсы.