МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
Кафедра Автоматизации производственных процессов
Курсовая работа
по дисциплине
«Основы теории электропривода»2007
СОДЕРЖАНИЕ
РЕФЕРАТ
Введение
1. Выборэлектродвигателя по мощности
1.1Статическая нагрузочная диаграмма электропривода
1.2Предварительный выбор электродвигателя по мощности и скорости
1.3Динамическая нагрузочная диаграмма электропривода
1.4Проверочный расчет электродвигателя по нагреву
1.5Проверочный расчет электродвигателя по условиям пуска
1.6Проверочный расчет электродвигателя по условиям допустимой перегрузки
2.Механические характеристики электропривода в рабочих режимах
2.1 Расчет ипостроение естественной и рабочей механических характеристик электропривода вдвигательном режиме работы, определение величины сопротивления рабочей секции,статизма электропривода
2.2Определение максимально возможного диапазона регулирования скорости привода приреостатном способе регулирования и регулирования скорости изменением напряжения
2.3Определение необходимого статизма при увеличении диапазона регулирования в 10раз с указанием способа снижения статизма
2.4 Расчет ипостроение статической пусковой диаграммы электропривода
2.4.1Определение количества пусковых ступеней и секций, величин их сопротивлений
2.4.2Определение плавности регулирования скорости при использовании пусковыхсопротивлений в качестве регулировочных
2.4.3Разработка силовой электрической схемы электропривода с учетом технологическихусловий работы механизма
2.5 Расчет ипостроение механических характеристик электропривода в тормозных режимах
2.5.1 Расчети построение механической характеристики при силовом спуске пустой крюковойподвески в режиме рекуперативного торможения, определение величинысопротивления секции противовключения
2.5.2 Расчети построение механической характеристики при спуске номинального груза сноминальной рабочей скоростью, определение величины тормозного сопротивления
2.5.3 Расчети построение механической характеристики при спуске номинального груза состановочной скоростью, определение величины тормозного сопротивления
3.Электромеханические переходные процессы в электроприводе
3.1 Расчет ипостроение графиков переходных процессов /> и M(t) при разгоне привода от нулевой начальной скоростидо рабочей />
3.2 Расчет ипостроение графиков переходных процессов /> и M(t) при переводе привода из положения «Подъем» с рабочейскоростью /> вположение «Спуск» при опускании пустой крюковой подвески в режимерекуперативного торможения со скоростью щ>щ0
3.3 Расчет ипостроение графиков переходных процессов /> и M(t) при торможении электропривода в концеподъема груза, определение места
установкиконечного выключателя, ограничивающего высоту подъема крюковой подвески
4. Разработкапринципиальной электрической схемы электропривода
Выводы
Переченьссылок
РЕФЕРАТ
Объект проектирования: электропривод с двигателем постоянного тока.
Цель работы: выбрать электродвигатель по мощности, рассчитать и построитьмеханические характеристики электропривода в рабочих режимах и электромеханическиепереходные процессы в электроприводе, разработать принципиальную электрическуюсхему электропривода.
ЭЛЕКТРОПРИВОД, РАСЧЕТ, МОЩНОСТЬ, СКОРОСТЬ, ХАРАКТЕРИСТИКА, СТРУКТУРА,СХЕМА, ПРОЦЕСС.
/>Введение
Электроприводом называется электромеханическая система, состоящая изэлектродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющегоустройств, предназначенных для приведения в движение исполнительных органоврабочей машины и управления этим движением.
Нельзя представить себе ни одного современного производственногомеханизма, в любой области техники, который не приводился бы в действиеэлектроприводом. В электроприводе основным элементом, непосредственнопреобразующим электрическую энергию в механическую, является электродвигатель,который чаще всего управляется при помощи соответствующих преобразовательных иуправляющих устройств с целью формирования статических и динамическиххарактеристик электропривода, отвечающих требованиям производственногомеханизма.
Целью данной курсовой работы является расчет электродвигателя, входящегов состав электропривода механизма подъема мостового крана, а также созданиесистемы управления электроприводом, которая бы обеспечила заданные режимы егоработы.
/>1. Выбор электродвигателя по мощности/> 1.1 Статическая нагрузочная диаграмма электропривода
Для построения статической нагрузочной диаграммы необходимо найтистатические моменты на двигателе, мощности и время на переходах.
Определим время подъема и опускания груза (крюковой подвески):
/>
Все необходимые промежутки времени определяются с помощью пакета Mathcad 8
Определим продолжительность цикла:
/>
Продолжительность включения механизма в статике:
/>
Определим статические моменты на валу электродвигателя при подъеме иопускании грузов (крюковой подвески):
/>
Таким образом, статическая диаграмма будет состоять из следующихучастков: подъем груза (tр1), остановка механизма на время (to1), опускание груза (tр2), остановка на время разгрузки (to2), подъем крюковой подвески (tр3), остановка механизма подъема навремя перемещения крюковой подвески к месту загрузки (to3), опускание крюковой подвески (tр4), остановка механизма на время загрузки (to4). Диаграмма представлена на рисунке1.1.
/>
Рисунок 1.1 — Статическая нагрузочная диаграмма
/>1.2 Предварительный выбор электродвигателя по мощности искорости
Мощность электродвигателя с ближайшей стандартной продолжительностьювключения ПВст выбираем из условия подъема номинального груза по расчетноймощности:
/>
Т.к. tц>10 мин, то выбирается двигатель со стандартнойпродолжительностью включения ПВ=100% по условию Рн*100%>=Ррасч
Номинальную частоту вращения двигателя определим из формулы:
/>
Исходя из условий nн> nр и Рн*100%>=Ррасч выберем электродвигательпостоянного тока 4ПФ160S. Онобладает следующими параметрами:
-мощность 15 кВт;
-ток якоря 79.6 А;
-номинальная частота вращения 850 об/мин;
-максимальная частота 4000 об/мин;
-напряжение якоря 220 В;
-кпд 80.7%.
/>1.3 Динамическая нагрузочная диаграмма электропривода
Определим динамический пусковой момент по формуле:
/>
Где М1 и М2 – максимальный и минимальный пусковые моменты соответственно
/>
Где ш – кратность пусковых моментов
Определим время подъема и опускания груза, для этого:
/>
Момент инерции якоря
/>
Момент инерции муфты с тормозным шкивом
/>
Суммарный, приведенный момент инерции
/>
/>
Угловая скорость вращения вала двигателя
Время пуска привода для каждой операции
/>
Для определения времени электрического торможения механизма подъеманайдем суммарный приведенный момент инерции при торможении
/>
/>
Тормозные моменты
/>
Где Kт – коэффициент запаса торможения.
Время торможения
/>
Уточненное значение продолжительности включения
/>
/>
Число циклов в час
/>
/>1.4 Проверочный расчет электродвигателя по нагреву
Определим эквивалентный момент по данным динамической нагрузочной диаграммы
/>/> Коэффициенты, учитывающие ухудшениеусловий охлаждения двигателя при пусках и торможениях
/>
/>
Эквивалентная мощность, соответствующаямоменту эквивалентному/>Должно выполняться условие
/>
Т.е. оно выполняется1.5 Проверочный расчет электродвигателя по условиям пуска
/>./> 1.6 Проверочный расчет электродвигателя по условиямдопустимой перегрузки
/>
/>2 Механические характеристики электропривода в рабочихрежимах/> 2.1 Расчет и построение естественной и рабочей механическиххарактеристик электропривода в двигательном режиме работы, определение величинысопротивления рабочей секции, статизма электропривода
Естественную характеристику электропривода построим по точкам скоординатами /> и />.
/>
Номинальный момент
Необходимые для построения значения скоростей найдем как:
Скорость холостого хода
/>
где
/>
/>-Активное сопротивление обмотки якоря
/>
Рабочую характеристику при рабочей скорости щр
/>
Рисунок 2.1 — Механические характеристики привода
Статизм определим из следующего соотношения:
дщ=(щ0-щн)*100%/щ0 дщ=7,172%/>2.2 Определение максимально возможного диапазонарегулирования скорости привода при реостатном способе регулирования ирегулирования скорости изменением напряжения
При реостатном способе регулирования скорости, скорость меняется приизменении сопротивления якоря. Точность регулирования при этом очень низкая — /> Достаточно велики потери электрической энергии насопротивлении. Диапазон изменения скорости при реостатном регулировании(графически): щ=щреост.min…щн=70.1…89
При регулировании скорости изменением напряжения получим следующийдиапазон изменения скорости.
Минимально возможная скорость при регулировании напряжением:
/>
тогда по построению />
Напряжение, соответствующее минимальной скорости:
/>
Максимально возможная скорость при регулировании напряжением:
/>
Напряжение, соответствующее максимальной скорости:
/>
Диапазон регулирования скорости: щ=щmin…щmax=0.042…96.25при изменении напряжения U=Umin…Umax=15.865…220(B)/>2.3 Определение необходимого статизма при увеличениидиапазона регулирования до указанного в техническом задании с обоснованиемспособа снижения статизма и приведением необходимой структуры электропривода
Оптимальный статизм найдем как />
/>2.4 Расчет и построение статической пусковой диаграммыэлектропривода/> 2.4.1 Определениеколичества пусковых ступеней и секций, величин их сопротивлений
Построим статическую пусковую диаграмму выхода на естественнуюхарактеристику, исходя из следующих соображений: aдоп=0.1(м/сІ), Vр=0.1(м/с)
Для подсчета ускорения воспользуемся формулой: /> где />
Время разгона двигателя:
/>
где
/>
/>
/> />
Количество пусковых ступеней найдем как />
/>
Так как выходим на естественную характеристику, то />
/>больше/>
Получены следующие расчетные значения: /> количество пусковых ступеней — 1, суммарное времяразгона /> сопротивление первой пусковойступени
/>
Сопротивление первой пусковой секции
/>
/>
Рисунок 2.2 — Статическая пусковая диаграмма/>2.4.2 Определение плавности регулирования скорости прииспользовании пусковых сопротивлений в качестве регулировочных2.4.3 Разработкасиловой электрической схемы электропривода с учетом технологических условийработы механизма
/>
Рисунок 2.5 — Силовая схема электропривода
Силовая схема содержит высокомоментный двигатель постоянного тока,рубильники (S1), реверсивный мост и пусковыеступени с реостатом для регулирования скорости (Rд)./> 2.5 Расчет и построение механических характеристикэлектропривода в тормозных режимах/> 2.5.1 Расчет ипостроение механической характеристики привода при силовом спуске пустойкрюковой подвески в режиме рекуперативного торможения, определение величинысопротивления секции противовключения
Для рекуперативного торможения найдем тормозной момент:
/>
ЕДС, генерируемая приводом:
/>
Ток противовключения :
/>
Сопротивление противовключения:
/>
/>
Рисунок2.4-Рекуперативное торможение/>2.5.2 Расчет и построение механическойхарактеристики при реверсе по току якоря, определение величины сопротивлениясекции противовключения
Сопротивление секции противовключения найдем как
/>
Точки для построения характеристики: /> и /> Точки для построения реверсивной характеристики: /> и />
/>
Рисунок 2.6 — Тормозные характеристики/>2.6 Выводы
При рассмотрении работы электродвигателя, приводящего в действиепроизводственный механизм, необходимо, прежде всего, выявить соответствиемеханических характеристик двигателя характеристике производственногомеханизма. Поэтому для правильного проектирования и экономичной эксплуатацииэлектропривода необходимо изучать эти характеристики.
/>3 Электромеханические переходные процессы в электроприводе/> 3.1 Расчет и построение графиков переходных процессов /> и /> при разгонепривода от нулевой начальной скорости до рабочей />
Так как процесс разгона двигателя происходит ступенчато (одна ступень),то имеем два переходных процесса. Для построения графиков переходных процессовнайдем постоянные времени переходных процессов:
/>
Тогда время переходных процессов найдем как:
/>
График переходного процесса по скорости будет комбинацией графиковпереходных процессов, происходящих при разгоне до скорости, на которойшунтируется пусковая секция и при разгоне до необходимой скорости: />
/>
Рисунок 3.1 — Переходный процесс />
График переходного процесса по току будет комбинацией графиков переходныхпроцессов, происходящих при разгоне до скорости, на которой шунтируетсяпусковая секция и при разгоне до необходимой скорости: />
/>
Рисунок 3.2 — Переходный процесс />/>3.2 Расчет и построение графиков переходных процессов /> и /> при переводепривода из положения «Вперед» в положение «Назад» для получения максимальнойскорости возврата каретки
Перевод привода из положения «Вперед» в положение «Назад» осуществимпоэтапно. Сначала затормозим двигатель противовключением, после чего осуществимего разгон в противоположную сторону до скорости />, а затем — до скорости /> Разгон до каждой из скоростейбудем осуществлять ступенчато, как показано в п.2.4, так как конечные скоростипропорциональны.
Переходный процесс при торможении противовключением.
Постоянная времени переходного процесса:
/>
Время переходного процесса: />
Переходный процесс по скорости будет описываться уравнением
/>
Переходный процесс по току будет описываться уравнением
/>
Переходные процессы при разгоне до скорости />.
По скорости: />
По току: />
Переходные процессы при разгоне до скорости />.
По скорости: />
По току: />
График переходного процесса по скорости получим комбинацией графиковпереходных процессов на каждом участке.
/>
Рисунок 3.3 — Переходный процесс />
/>
Рисунок 3.4 — Переходный процесс />/> 3.3 Расчет и построение графиков переходных процессов /> и /> при сбросе инабросе наибольшей нагрузки, определение пути на этом переходе с учетомэлектромеханических процессов, оценка ошибки позиционирования
Постоянную времени переходных процессов определим как
/>
Время переходного процесса определим />
Переходные процессы по скорости:
/>
Переходные процессы по току:
/>
/>
Рисунок 3.5 — Переходный процесс />
/>
Рисунок 3.6 — Переходный процесс />
Путь при переходном процессе найдем из следующих соотношений:
/> где />— число оборотов рабочего органа.
/> где /> — число оборотов двигателя.
/> где /> — угол поворота ротора двигателя за время переходногопроцесса.
/>
Тогда />
Следовательно, />
/>3.4Выводы
Изучение переходных режимов электропривода имеет большое практическоезначение. Результаты их расчетов позволяют правильно определить мощностьэлектродвигателей и аппаратуры, рассчитать систему управления и оценить влияниеработы электропривода на производительность и качество работы производственныхмеханизмов.
/>4 Разработка принципиальной электрической схемыэлектропривода
Согласно заданию на проектирование, разрабатываем электрическую схемуэлектропривода с использованием бесконтактных элементов.
Силовая часть схемы включает в себя цепи пуска высокомоментного ДПТ вфункции ЭДС, его реверса, торможения противовключением и динамическоготорможения в функции тока.
В работе электропривода можно выделить следующие логические функции иусловия, согласно которым осуществляется работа привода.
Логические функции.
/> — если «1», то двигатель работает в режиме «вперед»;
/> — если «1», то двигатель работает в режиме «назад»;
/> — если «0», то включается первая рабочая скорость;
/> — если «0», то включается вторая рабочая скорость;
/> — если «1», то двигатель работает в режимединамического торможения;
/> — если «1», то осуществлен пуск двигателя в функцииЭДС;
/> — если «0», то двигатель работает в режиме торможенияпротивовключением.
Логические условия.
/> — если «1», то нажата кнопка SB1 («стоп»), иначе — кнопка SB1 отпущена;
/> — если «1», то нажата кнопка SB2 («пуск вперед»), иначе — кнопка SB2 отпущена;
/> — если «1», то нажата кнопка SB3 («пуск назад»), иначе — кнопка SB3 отпущена;
/> — если «1», то нажата кнопка SB4 («включение первой рабочей скорости»), иначе — кнопка SB4 отпущена;
/> — если «1», то нажата кнопка SB5 («возврат на номинальную скорость»), иначе — кнопка SB4 отпущена;
/> — если «1», то нажата кнопка SB6 («включение второй рабочей скорости»), иначе — кнопка SB6 отпущена;
/> — если «1», то нажата кнопка SB7 («возврат на первую рабочую скорость»), иначе — кнопка SB7 отпущена;
/>, /> — если «1», то в цепи якоря короткое замыкание, иначе— номинальный режим;
/> — если «1», то в цепи якоря перегрузка по току, иначе— номинальный режим;
/> — если «1», то в цепи якоря есть ток, иначе — токанет;
/> — если «1», то в напряжение на якоре достиглопорогового значения, при котором необходимо отключить пусковое сопротивление,иначе — напряжение меньше необходимого;
/> — если «1», то необходимо включить секциюпротивовключения для предотвращения броска тока, иначе такой необходимости нет;
/> — если «1», то закончилась временная выдержка, втечение которой МТЗ может считаться не сработавшей, иначе — МТЗ сработала.
/>
Рисунок 4.1 — Функциональная схема силовой части привода
Работа схемы.
Силовая схема электропривода состоит из высокомоментного ДПТ (М),реверсивного транзисторного мостового коммутатора (VT1..VT4),бесконтактных переключателей (VT6, VT10, VT12, VT13 иVT18), бесконтактных датчиков тока (Rш1..Rш4) и напряжения (R’ш1 и Rшп), а также компараторов тока инапряжения (DA4..DA9).
Исходное состояние — двигатель выключен.
Для пуска двигателя вперед, необходимо нажать кнопку SB2. При этом если не нажата кнопка«стоп» (SB1), есть напряжение на блоке питаниясхемы, не сработали реле короткого замыкания (Rш1 и Rш2) ине сработала максимальная токовая защита (Rш3) и временная задержка для того, чтобы схема неотключилась при кратковременном набросе тока, то двигатель начинает работать врежиме «вперед». Таким образом, можно записать следующее выражение: />
Для пуска двигателя назад, необходимо нажать кнопку SB3. При этом если не нажата кнопка«стоп» (SB1), есть напряжение на блоке питаниясхемы, не сработали реле короткого замыкания (Rш1 и Rш2) ине сработала максимальная токовая защита (Rш3) и временная задержка для того, чтобы схема неотключилась при кратковременном набросе тока, то двигатель начинает работать врежиме «назад». Таким образом, можно записать следующее выражение: />
Пуск в функции ЭДС осуществляется автоматически при включении двигателявперед или назад и достижении напряжением якоря порогового значения, а так жепри условии того, что в данный момент не производится торможениепротивовключением. Таким образом, можно записать следующее выражение: />
Включение первой рабочей скорости (выключение переключателя VT12, поэтому/> длявключения скорости) осуществляется, если нажата кнопка SB4 и не нажата кнопкаSB5, и закончился пуск в функции ЭДС. Выражение для включения первой рабочейскорости: /> Дляреализации этой функции применим триггер RS-типа.
Включение второй рабочей скорости (выключение переключателя VT13, поэтому/> длявключения скорости) осуществляется, если нажата кнопка SB6 и не нажата кнопкаSB5, и включена первая скорость. Выражение для включения второй рабочейскорости: /> Дляреализации этой функции применим триггер RS-типа.
Динамическое торможение привода осуществляется, если нажата кнопка «стоп»(SB1), в цепи якоря протекает ток (Rш4) и не производится торможениепротивовключением. Выражение для включения цепи динамического торможения имеетвид: />
Торможение противовключением осуществляется, если произошла смена направлениядвижения (последовательно были нажаты кнопки «стоп» и «пуск» в одном изнаправлений) и сработало бесконтактное реле напряжения Rшп. Выражение длязапуска торможения противовключением будет иметь вид: />
Бесконтактные переключатели (VT1..VT4, VT6, VT10, VT12, VT13 и VT18)реализованы на транзисторах, работающих в ключевом режиме. Компараторы(DA4..DA9) реализованы на базе операционных усилителей, работающих вкомпараторном режиме, типа 140УД12.
В реализации схемы управления используется 4 элемента И (2 двух-,1 трех- и 1 четырехвходовый), 3 элемента И-НЕ (2 двух- и 1трехвходовый), 3 двухвходовых элемента ИЛИ, 1 элемент ИЛИ-НЕ и 4асинхронных RS-триггера, а также, для получения сигнала /> (временнаязадержка сигнала />), — RC-цепочка.
Для реализации логики используем микросхемы серии К155.
/>Выводы
Управление электроприводами заключается в осуществлении пуска,регулировании скорости, торможения, реверсирования, а также поддержания режимаработы привода в соответствии с требованиями технологического процесса.
В простейших случаях пуск, регулирование скорости и торможениеосуществляется при помощи аппаратов ручного управления. Применение этихаппаратов связано с дополнительной затратой времени на управление и,следовательно, снижает производительность механизма. Кроме того, применениеаппаратов ручного управления исключает возможность дистанционного управления,что неприемлимо в ряде современных автоматизированных установок.
Стремление устранить подобные недостатки ручного управления привело ксозданию аппаратов полуавтоматического и автоматического управления.
Автоматическое управление электроприводами является одним из основныхусловий повышения производительности механизмов и производства продукциивысокого качества.
Кроме того, автоматизация упрощает обслуживание механизмов, даетвозможность осуществить дистанционное управление электроприводами. Последнееособенно важно там, где нельзя управлять двигателями в непосредственнойблизости по условиям территориального расположения машин или в связи сособенностями технологического процесса.
/>Перечень ссылок
1. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курсэлектропривода: учебник для вузов. — 8-е изд., доп. И перераб. —М.: Энергоиздат, 2004. — 576 с., ил.
2. Забродин Ю.С. Промышленностьэлектроника: учебник для вузов. — М.: Высш.школа, 2002. — 496 с., ил.
3. Руденко В.С. Приборы и устройствапромышленной электроники. — К.: Техника, 2005. — 368 с.
4. Лебедев А.М и др. Следящиеэлектроприводы станков с ЧПУ. — М.: Энергоатомиздат, 2003. — 223 с., ил.
5. Панкратов А.И. Методические указанияк самостоятельной работе по дисциплине «Электрооборудованиеподъемно-транспортных машин» (для студентов спецальности 15.04). —: КИИ, 2005. —35 с.
6. Панкратов А.И. Методические указанияк самостоятельной работе по дисциплине «Электротехника, основы электроники иэлектрооборудование» (для студентов специальностей 12.01, 12.02, 11.06, 12.03,12.05, 11.08). —: КИИ, 2004. — 27 с.
7. Панкратов А.И. Методические указанияк самостоятельной работе по дисциплине «Автоматика и автоматизацияпроизводственных процессов» (для студентов спецальности 15.04). —: КИИ, 2006. —16 с.