Федеральноеагентство по образованию
Государственноеобразовательное учреждение высшего профессионального образования
НИЖЕГОРОДСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА
Кафедра Электроприводи автоматизация промышленных установок
Курсовойпроект
Электроприводлитейного крана по схеме «Преобразователь частоты – Асинхронный короткозамкнутыйдвигатель»
РУКОВОДИТЕЛЬ
Филатов И.Н.
СТУДЕНТ
Марфин В.В.
НижнийНовгород 2010
Задание №13
ЭЛЕКТРОПРИВОДЛИТЕЙНОГО КРАНА ПО СХЕМЕ “ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ – АСИНХРОННЫЙКОРОТКОЗАМКНУТЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ”
1. Исходные данные
Параметрынагрузочных диаграмм и данные исполнительного механизма
/>Номер варианта
Исходные данные 5 Тип крана КЛ-75/19,1 Грузоподъёмность (кН), Fн 191 Вес ковша (кН), Fк 39 Минимальная скорость подъёма/спуска (м/с), vmin 0,04 Максимальная скорость подъёма/спуска (м/с), vmax 0,16 Количество ступеней регулирования 4
КПД редуктора (%), /> 78 Передаточное число редуктора, iр 168 Диаметр барабана (м), Dб 0,36 Высота подъёма (м), Hп 15 Допустимое ускорение (м/с2), aдоп 0,8 Момент инерции барабана (кгм2), Jб 233
Питающаясеть переменного тока ~3-TN-S, 380 В, 50 Гц.
2.Расчетная часть
2.1 Определитьприведенные значения статических моментов и момента инерции исполнительногомеханизма.
2.2Определить предварительно мощность двигателя и выбрать его по каталогу.
2.3Произвести расчёт и выбор элементов силовой цепи электропривода.
2.4Рассчитать и построить естественную механическую характеристикуэлектродвигателя.
2.5Рассчитать и построить механические характеристики при максимальном, среднем иминимальном значениях скорости движения.
2.6Рассчитать и построить механические характеристики при рекуперативномторможении.
2.7Оценить необходимость применения обратной связи для стабилизации угловойскорости вала электродвигателя (изменение скорости не должно превышать ±15% приизменении момента сопротивления на валу в пределах номинального моментаэлектродвигателя). При необходимости рассчитать требуемый коэффициент усиленияобратной связи,
2.8Рассчитать и построить кривые изменения угловой скорости, момента и тока припуске и остановке электродвигателя; определить длительность переходныхпроцессов.
2.9Проверить предварительно выбранный двигатель по нагреву и перегрузке.
2.10Определить КПД электропривода за цикл работы.
2.11Разработать принципиальную электрическую схему электропривода и дать описаниееё работы. Схема управления должна обеспечивать автоматическое выполнениезаданного режима работы, ручное регулирование скорости вращения, необходимыевиды защиты электрооборудования.
2.12Выбрать аппаратуру управления, защиты и сигнализации. Составить переченьэлементов
3. Графическая часть
3.1Принципиальная электрическая схема электропривода.
3.2Электромеханические и механические характеристики двигателя.
3.3Нагрузочная диаграмма исполнительного механизма.
3.4Нагрузочная диаграмма и тахограмма электропривода за полный цикл работы.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Определение приведенных значений статических моментов и моментаинерции исполнительного механизма
2. Определение предварительной мощности двигателя и выбор его по каталогу
3. Расчёт и выбор элементов силовой цепи электропривода
4. Расчёт и построение естественной механической характеристикиэлектродвигателя
5. Расчёт и построение механических характеристик при максимальном,среднем и минимальном значениях скорости движения
6. Расчёт и построение механической характеристики при рекуперативномторможении
7. Оценка необходимости применения обратной связи для стабилизацииугловой скорости вала электродвигателя
8. Расчёт и построение кривых изменения угловой скорости, момента и токапри пуске и остановке электродвигателя; определение длительности переходныхпроцессов
9. Проверка предварительно выбранного двигателя по нагреву и перегрузке
10. Определение кпд электропривода за цикл работы
11. Разработка принципиальной электрической схемы электропривода,описание её работы
12. Выбор аппаратуры управления, защиты и сигнализации, составлениеперечня элементов
13 Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Широкоевнедрение комплексной механизации и автоматизации производственных процессов,неуклонное сокращение во всех отраслях численности работников, занятых ручнымтрудом, особенно на вспомогательных и подсобных работах, являются одной изважнейших задач народного хозяйства. Крановое оборудование при этомпредставляет собой одно из основных средств сокращения тяжелого физическоготруда.
Подавляющеебольшинство грузоподъёмных машин, изготовляемых отечественной промышленностью,имеет электрический привод механизмов, и поэтому эффективность действия ипроизводительность этих машин в значительной степени зависят от качественныхпоказателей используемого кранового электрооборудования. Современный крановыйэлектропривод за последнее время претерпел существенное применение в структуреи применяемых системах управления.
Большинствогрузоподъёмных кранов характеризуются постоянно меняющимися условиямииспользования при переработки грузов, и поэтому механизмы кранов, имеющие всвоём составе электроприводы, должны быть в максимальной степени приспособленык постоянно видоизменяющейся работе с грузами, разнообразными по массе,размерам, форме, и в условиях производственных помещений или на открытыхгрузовых площадках.
Длянаиболее массовых кранов общего назначения начинают широко применятьсяэлектроприводы на основе короткозамкнутых двигателей, значительная часть крановизготовляется с управлением с пола, а быстроходные краны для тяжелых режимовработы комплектуются различными тиристорными системами, обеспечивающимиглубокое регулирование скорости, плавности пуска и торможения при постоянноповышающихся требованиях к экономии энергоресурсов.
1.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИВЕДЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ СТАТИЧЕСКИХ МОМЕНТОВ И МОМЕНТА ИНЕРЦИИИСПОЛНИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА
Определениеприведённых значений статического момента при различных режимах работы.
Приведённыйстатический момент при подъёме груза:
/>.
Приведённыйстатический момент при спуске груза:
/>.
Приведённыйстатический момент при подъёме ковша:
/>.
Приведённыйстатический момент при спуске ковша:
/>.
Определениеприведённого значения момента инерции исполнительного механизма.
Приведённыймомент инерции исполнительного механизма при заполненном ковше:
/>
Приведённыймомент инерции исполнительного механизма при пустом ковше:
/>
2.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ И ВЫБОР ЕГО ПО КАТАЛОГУ
Определимсначала максимальную скорость электродвигателя и минимальное времяподъёма/спуска груза.
Максимальнаячастота вращения двигателя:
/>.
Максимальнаяскорость вращения двигателя:
/>.
Минимальноевремя подъёма/спуска груза:
/>.
Следующийшаг – определение приведённого эквивалентного момента двигателя, расчётноймощности двигателя и выбора его из каталога.
Таккак нагрузочная диаграмма исполнительного механизма предварительно не задана,но известен режим, в котором работает двигатель, то продолжительность включенияможно задать равной стандартному значению: />.
Времяцикла работы двигателя будет равно:
/>;
где /> - время простоя двигателя.
Тогдавремя цикла равно: />.
Приведённыйэквивалентный момент двигателя:
/>
Расчётнаямощность двигателя:
/>.
Учтёмособенности данного типа привода [8, с.13] и продолжительность включения:
Кранлитейный металлургический.
Группарежима работы крана – 7К.
Типмеханизма – главный подъёмный.
Режимработы – 5М.
/>
Исходяиз этого расчётная мощность двигателя:
/>.
Дляповторно-кратковременного режима выбираем двигатель серии 4АС. Ближайшиеподходящие двигатели: 4АС132М4У3, 4АС160S4У3, 4АС160М4У3, 4АС180S4У3, 4АС180М4У3, 4АС200М4У3. Произведём тепловую иперегрузочную проверку.
1.4АС132М4У3
Номинальнаямощность двигателя: />.
Номинальноескольжение: />.
Синхроннаячастота вращения: />
Номинальнаячастота вращения: />
Номинальныймомент: />.
/> - двигатель не проходит тепловую проверку.
2.4АС160S4У3
Номинальнаямощность двигателя: />.
Номинальноескольжение: />.
Синхроннаячастота вращения: />
Номинальнаячастота вращения: />
Номинальныймомент: />.
/> - двигатель не проходит тепловую проверку.
3.4АС160М4У3
Номинальнаямощность двигателя: />.
Номинальноескольжение: />.
Синхроннаячастота вращения: />
Номинальнаячастота вращения: />
Номинальныймомент: />.
/> - двигатель проходит тепловую проверку.
Критическиймомент />.
Максимальныйстатический момент />.
/> - двигатель не проходит проверку по перегрузочнойспособности.
4.4АС180S4У3
Номинальнаямощность двигателя: />.
Номинальноескольжение: />.
Синхроннаячастота вращения: />
Номинальнаячастота вращения: />
Номинальныймомент: />.
/> - двигатель проходит тепловую проверку.
Критическиймомент />.
Максимальныйстатический момент />.
/> - двигатель не проходит проверку по перегрузочной способности.
5.4АС180М4У3
Номинальнаямощность двигателя: />.
Номинальноескольжение: />.
Синхроннаячастота вращения: />
Номинальнаячастота вращения: />
Номинальныймомент: />.
/> - двигатель проходит тепловую проверку.
Критическиймомент />.
Максимальныйстатический момент />.
/> - двигатель не проходит проверку по перегрузочнойспособности.
6.4АС200М4У3
Номинальнаямощность двигателя: />.
Номинальноескольжение: />.
Синхроннаячастота вращения: />
Номинальнаячастота вращения: />
Номинальныймомент: />.
/> - двигатель проходит тепловую проверку.
Критическиймомент />.
Максимальныйстатический момент />.
/> - двигатель проходит проверку по перегрузочнойспособности.
Такимобразом, выбираем двигатель 4АС200М4У3.
Необходимоперечислить основные параметры данного двигателя: [6]
Фазноенапряжение питающей сети: />.
Линейноенапряжение питающей сети: />.
Частотапитающей сети: />.
Номинальнаямощность двигателя: />.
Синхроннаяскорость: />.
Синхроннаячастота вращения: />.
Номинальноескольжение: />.
Номинальнаячастота вращения:
/>.
Номинальныймомент:
/>.
Параметрысхемы замещения:
/>,
/>,
/>,
/>,
/>.
Пусковыепараметры.
Пусковоймомент: />.
Минимальныймомент: />.
Критическиймомент: />.
Номинальноескольжение: />.
Критическоескольжение: />.
Пусковойток: />.
Моментинерции ротора двигателя: />.
НоминальныйКПД: />.
Номинальныйcos: />.
Номинальныйток статора:
/>.
3. РАСЧЁТИ ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СИЛОВОЙ ЦЕПИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Преобразовательчастоты:
Марка- HYUNDAI N300,
Модель– 370 HF .
Параметрыпреобразователя:
Мощностьдвигателя — />,
Номинальныйток — />,
Номинальноенапряжение — />,
Номинальнаячастота — />,
Диапазон- />. Автоматическийвыключатель:
Расцепительавтоматического выключателя рассчитывается на номинальный ток преобразователя,который примерно равен номинальному току двигателя. Так как пуск происходит припониженном напряжении и частоте, нет необходимости учитывать пусковой токдвигателя. [12]
Выключатель:АЕ 2063ММ.
Номинальныйток расцепителя />.
4. РАСЧЁТИ ПОСТРОЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Предварительнонеобходимо рассчитать сопротивление первичной обмотки и сопротивление вторичнойобмотки, приведённое к числу витков вторичной.
/>
/>
/>
/>
Диапазонзначений скольжения: />.
Уравнениемеханической характеристики двигателя:
/>
Скоростьэлектродвигателя в функции скольжения:
/>.
Результатырасчётов:
Таблица4.1 – механическая характеристика двигателя
/> 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
/> 15.7 31.4 47.1 62.8 78.5 94.2 110 125.7 141.4 157
/> 387.6 416.4 448.4 483.3 520.2 555.7 582 581.4 518.4 337
Однакоданное уравнение ошибочно описывает процессы, происходящие при пуске АД. Так,например оно не учитывает увеличение активного сопротивления фазы роторавследствие эффекта вытеснения тока. Поэтому есть необходимость произвестирасчёт механической характеристики по эмпирически выведенной формуле.
Диапазонизменения скольжения тот же, что и в предыдущих вычислениях.
Критическоескольжение:
/>.
Критическиймомент:
/>
Пусковоймомент:
/>.
КоэффициентK:
/>.
Моментэлектродвигателя:
/>.
Результатырасчётов:
Таблица4.2 – МХ по эмпирической формуле
/> 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
/> 15.7 31.4 47.1 62.8 78.5 94.2 110 125.7 141.4 157
/> 446.6 464.6 486.5 512.1 540.5 568.424 586.9 575.8 496.6 302.8
Графикиестественных механических характеристик:
/>
Рисунок4.1 – Графики естественных механических характеристик
5. РАСЧЁТИ ПОСТРОЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ МАКСИМАЛЬНОМ, СРЕДНЕМ И МИНИМАЛЬНОМЗНАЧЕНИЯХ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ
Прирасчёте искусственных характеристик двигателя необходимо воспользоватьсяусловием задания:
/>,
/>.
Приэтом частоты преобразователя, обеспечивающие работу на максимальной скоростипри различных моментах, будут также различны
Причастотном регулировании жесткость МХ остаётся постоянной:
/>.
Подобнымвыражением можно воспользоваться при определении синхронной скорости вращения,соответствующей максимальной скорости при различных моментах:
Минимальныйстатический момент:
/>
Максимальныйстатический момент:
/>
Соответствующиеданным синхронным скоростям частоты:
Минимальныйстатический момент:
/>.
Максимальныйстатический момент:
/>.
Сопротивлениекороткого замыкания:
/>.
Коэффициенты/> и />:
/>, />.
Относительнаячастота:
Минимальныйстатический момент:
/>.
Максимальныйстатический момент:
/>
Относительноенапряжение на статоре:
Минимальныйстатический момент:
/>
/>.
Максимальныйстатический момент:
Приувеличении частоты вверх от номинала необходимо также увеличить и напряжение настаторе, но это не допустимо. Значит, относительное напряжение будет равно 1:
/>.
Этоприведёт к снижению момента. В таком случае работа двигателя будет возможна привыполнении условия:
/>.
Напряжениена выходе преобразователя:
Минимальныйстатический момент:
/>.
Максимальныйстатический момент:
/>.
Критическоескольжение:
Минимальныйстатический момент:
/>
Максимальныйстатический момент:
/>
Критическиймомент двигателя:
Минимальныйстатический момент:
/>
/>
Максимальныйстатический момент:
/>
/>
Проверкаусловия:
/>;
/>.
Каквидно, условие выполняется.
Коэффициентa:
Минимальныйстатический момент:
/>.
Максимальныйстатический момент:
/>.
Моментрассчитываем по формуле Клосса:
Минимальныйстатический момент:
/>.
Максимальныйстатический момент:
/>.
Скоростьэлектродвигателя:
Минимальныйстатический момент:
/>
Минимальныйстатический момент:
/>.
Результатырасчётов:
Таблица5.1 – расчёт ИХ при максимальной частоте при минимальном моменте
/> 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
/> 150.7 135.6 120.6 105.5 90.42 75.35 60.28 45.21 30.14 15.07
/> 327.4 509.5 578 584.1 561.9 529.1 493.8 459.6 428 399.327
Таблица5.2 – расчёт ИХ при максимальной частоте при максимальном моменте
/> 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
/> 162.6 146.4 130.1 113.8 97.58 81.32 65.05 48.79 32.53 16.26
/> 323.7 493.2 547.7 543.9 516.1 480.9 445.3 411.9 381.7 354.8
Аналогичнымибудут расчёты при построении МХ при минимальной частоте.
Синхроннаячастота вращения при различных моментах:
Минимальныйстатический момент:
/>
Максимальныйстатический момент:
/>
Соответствующиеданным синхронным скоростям частоты:
Минимальныйстатический момент:
/>.
Максимальныйстатический момент:
/>.
Относительнаячастота:
Минимальныйстатический момент:
/>.
Максимальныйстатический момент:
/>
Относительноенапряжение на статоре:
Минимальныйстатический момент:
/>
/>.
Максимальныйстатический момент:
/>
/>
Напряжениена выходе преобразователя:
Минимальныйстатический момент:
/>.
Максимальныйстатический момент:
/>.
Критическоескольжение:
Минимальныйстатический момент:
/>
Максимальныйстатический момент:
/>
Критическиймомент двигателя:
Минимальныйстатический момент:
/>
/>
Максимальныйстатический момент:
/>
/>
Коэффициентa:
Минимальныйстатический момент:
/>.
Максимальныйстатический момент:
/>.
Моментрассчитываем по формуле Клосса:
Минимальныйстатический момент:
/>.
Максимальныйстатический момент:
/>
Скоростьэлектродвигателя:
Минимальныйстатический момент:
/>
Минимальныйстатический момент:
/>.
Результатырасчётов:
Таблица5.3 – расчёт ИХ при минимальной частоте при минимальном моменте
/> 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
/> 38.71 34.84 30.96 27.09 23.22 19.35 15.48 11.61 7.741 3.871
/> 149.4 267.3 358.7 428.3 480.5 518.8 546.1 564.8 576.8 583
Таблица5.4 – расчёт ИХ при минимальной частоте при максимальном моменте
/> 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
/> 50.64 45.57 40.51 35.44 30.38 25.32 20.25 15.19 10.13 5.064
/> 150.5 276.0 375.4 450.8 505.4 542.9 566.8 580.4 586 585
Нетнеобходимости делать подобный расчёт при средних частотах, так как на подобнуюскорость не накладывается никаких ограничений.
Синхроннаячастота вращения:
/>.
Частота на выходепреобразователя:
/>.
Относительнаячастота:
/>.
Относительноенапряжение на статоре:
/>
/>
Напряжениена выходе преобразователя:
/>.
Критическоескольжение:
/>.
Критическиймомент двигателя:
/>
/>
Коэффициентa:
/>.
Моментрассчитываем по формуле Клосса:
/>.
Скоростьэлектродвигателя:
/>
Результатырасчётов:
Таблица5.5 – расчёт ИХ при первой средней частоте
/> 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
/> 125.3 112.8 100.2 87.71 75.18 62.65 50.12 37.59 25.06 12.53
/> 288.8 468.6 556.4 585.17 581.5 561.7 535.0 506.2 477.6 450.3
Синхроннаячастота вращения:
/>.
Частотана выходе преобразователя:
/>.
Относительнаячастота:
/>.
Относительноенапряжение на статоре:
/>
/>
Напряжениена выходе преобразователя:
/>.
Критическоескольжение:
/>.
Критическиймомент двигателя:
/>
/>
Коэффициентa:
/>.
Моментрассчитываем по формуле Клосса:
/>.
Скоростьэлектродвигателя:
/>
Результатырасчётов:
Таблица5.6 – расчёт ИХ при второй средней частоте
/> 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
/> 88 79.2 70.4 61.6 52.8 44 35.2 26.4 17.6 8.8
/> 228.7 391.1 494.2 552.3 579.5 586.5 581.1 568.4 551.5 532.5
Построимвсе рассчитанные ИХ. На рисунке указаны максимальное и минимальное значениескорости, максимальный и минимальный статический момент, а также ИХ приразличных частотах.
/>
Рисунок5.1 – Графики ИХ при различных частотах
Такимобразом, при расчёте данных характеристик учитывалось ограничение задания:
/>,
/>.
6. РАСЧЁТИ ПОСТРОЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИ РЕКУПЕРАТИВНОМ ТОРМОЖЕНИИ
Задачаторможения – остановить двигатель. Рекуперативное торможение – такоеторможение, при котором происходит отдача энергии в сеть. Такое возможно,например, при скорости вращения ротора больше синхронной. При частотномрегулировании для этого ставится второй комплект полупроводниковых приборов,которые работаю в режиме инвертора, и производится понижение частоты питающейсети. Однако окончательно торможение двигателя происходит на характеристикединамического торможения. Для этого статор двигателя отключается от сети а в 2фазы двигателя подаётся постоянный ток.
Исходныеданные – двигатель работал с моментом /> соскоростью />.
Дляопределения интенсивности торможения необходимо рассчитать следующее:
Допустимоеускорение:
/>.
Суммарныймомент инерции:
/>.
Электромеханическаяпостоянная времени:
/>.
Максимальныймомент при торможении:
/>.
В тоже время критический момент характеристики динамического торможения:
/>.
Длямаксимальной интенсивности критический момент должен быть равен максимальномумоменту при торможении:
/>.
Исходяиз этого условия, эквивалентный ток динамического торможения равен:
/>.
Построимхарактеристику динамического торможения:
/>.
Графикхарактеристики динамического торможения. На нём указана:
-искусственнаяхарактеристика, на которой работал двигателя,
-максимальныйстатический момент,
-максимальныймомент торможения,
-динамическаяхарактеристика торможения.
/>
Рисунок6.1 – Характеристика динамического торможения
7. ОЦЕНКАНЕОБХОДИМОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ВАЛАЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Таккак привод оснащен частотным регулятором, то его характеристики имеютодинаковую жесткость независимо от частоты. Поэтому можно рассмотреть однухарактеристику, например ту, на которой осуществляется подъём груза смаксимальной скоростью. В таком случае при изменении момента от /> до /> частота вращения двигателяменяется от /> до />.
Абсолютноеизменение скорости:
/>.
Относительноеизменение скорости:
/>.
Видно,что относительно изменение скорости при изменении момента от 0 до /> не превышает 15%. Логичнопредположить, что при изменении момента от 0 до MнMс1относительное изменение скорости также не будет превышать 15%. Таким образомможно сделать вывод, что для стабилизации скорости нет необходимости вводитьобратную связь с каким бы то ни было коэффициентом усиления.
8. РАСЧЁТИ ПОСТРОЕНИЕ КРИВЫХ ИЗМЕНЕНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ, МОМЕНТА И ТОКА ПРИ ПУСКЕ ИОСТАНОВКЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ; ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
А)Разгон двигателя.
Таккак двигатель питается от преобразователя частоты, то есть возможность создатьлинейный закон изменения выходной величины:
/>,
где /> - допустимое угловоеускорение двигателя.
Чтобырассчитать его необходимо проделать следующие вычисления:
Пусковоймомент:
/>.
Такимобразом, допустимое угловое ускорение:
/>.
Очевидно,что выполняется условие />.
Разгондвигателя можно разделить на 3 периода:
1.Моментувеличивается до Mc1. Скорость равна 0.
Длительностьпериода – время запаздывания:
/>
Моментдвигателя:
/>.
Скоростьдвигателя: /> Начальные и конечныезначения момента и скорости: />, />, />, />,
2.Второй период –момент экспоненциально увеличивается до />,скорость увеличивается линейно.
Длительностьпериода – время />, где /> - время, за котороевходной сигнал /> увеличивается до/>.
/>.
Моментдвигателя:
/>.
Скорость:
/>.
Начальныеи конечные значения скорости и момента: />,/>, />, />.
3.Третий период –разгон по искусственной характеристики до установившихся значений скорости имомента. Длительность периода — />. Моментдвигателя:
/>.
Скоростьдвигателя:
/>.
Начальныеи конечные значения скорости и момента: />,/>, />, />.
Полноевремя разгона:
/>
Б)Рекуперативное торможение.
Припереводе двигателя в режим рекуперативного торможения изменится допустимоеугловое ускорение:
/>
Торможениеделится на 2 периода:
1. Моментэкспоненциально увеличивается до />,скорость уменьшается линейно.
Длительностьпериода:
/>.
Пополученным значениям построим график изменения момента и скорости при разгоне.
/>
Рисунок8.1 – График изменения момента и скорости при пуске
Моментдвигателя:
/>.
Скоростьдвигателя:
/>
Начальныеи конечные значения скорости и момента: />,/>, />, />.
2. Момент и скоростьуменьшаются до 0 на характеристики динамического торможения.
Длительностьпериода — />.
Моментдвигателя:
/>.
Скоростьдвигателя:
/>.
Начальныеи конечные значения скорости и момента: />,/>, />, />.
Полноевремя торможения:
/>
Наосновании расчётов построим график изменения скорости и момента при торможении.
Рассчитаемтеперь переходный процесс спуска груза.
Дляосуществления спуска груза предварительно меняют чередование напряжения,подаваемого в статор двигателя. Это приведёт к тому, что двигатель начнётразгон в 3 квадранте.
/>
Рисунок8.2 – График изменения момента и скорости при рекуперативном торможении
Пусковоймомент:
/>.
Такимобразом, допустимое угловое ускорение:
/>.
Условие/> выполняется.
Таккак действует условие />, то синхроннаяскорость в этом случае будет равна:
/>
Времяпервого этапа равно:
/>
Разгондвигателя можно разделить на 2 периода:
1. Первый период –момент экспоненциально увеличивается до />,скорость увеличивается линейно.
Времяпервого этапа равно:
/>
Моментдвигателя:
/>.
Скорость:
/>.
Начальныеи конечные значения скорости и момента: />,/>, />, />.
2. Второй период –разгон по искусственной характеристики до установившихся значений скорости вышесинхронной и момента. Длительность периода — />.
Моментдвигателя:
/>.
Скоростьдвигателя:
/>.
Начальныеи конечные значения скорости и момента: />,/>, />, />.
Полноевремя разгона: />
По полученнымзначениям построим график изменения момента и скорости при разгоне.
/>
Рисунок8.3 – График изменения момента и скорости при пуске (режим спуска груза)
Б)Рекуперативное торможение.
Припереводе двигателя в режим рекуперативного торможения изменится допустимоеугловое ускорение:
/>
/>.
Выполняетсяусловие />.
Торможениеделится на 2 периода:
1. Моментэкспоненциально увеличивается до />,скорость уменьшается линейно.
Длительностьпериода:
/>.
Моментдвигателя:
/>.
Скоростьдвигателя:
/>
Начальныеи конечные значения скорости и момента: />,/>,/>, />.
2. Момент и скоростьуменьшаются до 0 на характеристики динамического торможения.
Длительностьпериода — />.
Моментдвигателя:
/>.
Скоростьдвигателя:
/>.
Начальныеи конечные значения скорости и момента: />,/>, />, />.
Полноевремя торможения:
/>.
Наосновании расчётов построим график изменения скорости и момента при торможении.
/>
Рисунок8.4 – График изменения момента и скорости при рекуперативном торможении (режимспуска груза)
/>После расчёта переходного процессаможно построить тахограмму и нагрузочную диаграмму двигателя.
Рисунок8.5 – Тахограмма двигателя
/>
Рисунок8.6 – Нагрузочная диаграмма двигателя
9.ПРОВЕРКА ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ВЫБРАННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПО НАГРЕВУ И ПЕРЕГРУЗКЕ
Дляпроверки двигателя по нагреву воспользуемся методом эквивалентного нагрева:
Эквивалентныйприведённый момент двигателя:
/>
Номинальныймомент двигателя:
/>
Соотношение/> соблюдается,следовательно, перегрева двигателя выше допустимого значения не происходит.
Дляпроверки двигателя на перегрузочную способность воспользуемся следующимсоотношением:
/>.
Максимальныйстатический момент:
/>.
Критическиймомент:
/>.
Критическиймомент при снижении на 10% напряжения:
/>.
Таким образом, видно, чтосоотношение выполняется. Это значит, что при максимальном статическом моментена валу перегрузочная способность сохранится даже при снижении напряжения на10%.
10.ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЗА ЦИКЛ РАБОТЫ
КПДэлектропривода можно рассчитать по формуле:
/>,
где /> - кпд двигателя за периодработы,
/> - кпд редуктора за период работы,
/> - кпд преобразователя.
Дляопределения кпд двигателя за период работы необходимо рассчитать следующиевеличины:
Номинальныеполные потери в двигателе:
/>.
Номинальныепеременные потери в двигателе:
/>.
Номинальныепостоянные потери в двигателе:
/>.
Переменныепотери в двигателе при различных моментах на валу двигателя:
/>,
/>,
/>,
/>.
Кпддвигателя за цикл работы:
/>
/>
/>.
Тогдакпд привода за цикл работы:
/>.
11.РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА, ОПИСАНИЕ ЕЁРАБОТЫ
Принципиальнаяэлектрическая схема электропривода приведена в графической части
Описаниесхемы
Схемапредставляет собой систему управления привода по схеме «Тиристорныйпреобразователь частоты – Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором».Преобразователь частоты питается от сети напряжением 380 В. Схема управленияпитается от напряжения в 220 В через понижающий трансформатор и выпрямительныйдиодный мост.
Ручноеуправление пуском и торможением.
Дляпуска двигателя первоначально включаются автоматы QF1 и QF2,подключающие к сети силовую часть и схему управления. Для пуска в прямомнаправлении (режим подъёма груза) необходимо нажать кнопку SB1. Она подключит к сети контактор KM1 (о чём будет свидетельствоватьзагоревшаяся лампа HL1). Этотконтактор замкнёт свои контакты к силовой цепи, подключив статор к сети, такжеподключит СИФУ выпрямительной и инверторной группы выпрямителя к сети. Также KM1 замкнёт свои контакты в цепиконтактора КМ3, который в свою очередь разомкнёт свои контакты в цепиэлектромагнитного тормоза, что приведёт к растормаживанию двигателя. Начнётсяпроцесс разгона двигателя и выход на необходимую характеристику. Такжеосуществится электрическая блокировка цепи обратного пуска (режим спускагруза). Торможение осуществляется путём понижения частоты на выходепреобразователя. При этом работаю вентили инверторной группы. Дляокончательного останова необходимо нажать кнопку SB3, что приведет к подаче напряжения на контактор KM4, который разомкнёт свои контакты впитающей статор сети, и замкнёт контакты в сети источника постоянного тока.Начнётся процесс динамического торможения. Также контакты КМ4 замкнут цепь релевремени КТ1, которое после истечения уставки, разомкнёт свои контакты в цепиуправления, что приведёт к её отключению, снятию напряжения с контактора КМ1 ивключению электромагнитного тормоза.
Процессыпри обратном пуске (режим спуска груза) аналогичны вышеописанным, заисключением того, что первоначально замыкаются контакты КМ2.
Автоматическоеуправление осуществляется путевыми выключателями SQ1,2. При нажатии кнопки SB3, подключается контактор КМ1, и процессы аналогичнырассмотренным ранее. При достижении двигателем необходимой высоты сработаетконечный выключатель SQ1,который подключит контактор КМ4, и дальнейшие процессы буду аналогичны ранеерассмотренным.
В схеме предусмотрен ряд защит.Максимально токовая защита силовой цепи и цепи управления обеспечивается спомощью автоматических выключателей QF1, QF2,а также с помощью плавких предохранителей FU1, FU2.Путевая защита осуществляется с помощью конечных выключателей SQ1 и SQ2. В схеме присутствует электрическая блокировкареверсивных контакторов KM1 и KM2, исключающая их одновременное включение.
Тиристорныйпреобразователь предусматривает следующие виды защит и режимы коррекции:
-защитаот короткого замыкания на корпус
-максимально-токоваязащита;
-защитаот обрыва фаз, перекоса фаз;
-защитаот понижения или повышения напряжения в звене постоянного тока;
-защитаот неправильной работы входного тиристорного выпрямителя;
-тепловаязащита;
-защитаот потери питания контроллером.
-коррекциявыходного напряжения в зависимости от напряжения питающей сети;
-коррекцияинтенсивности (при разгоне) и рабочей частоты (в установившемся режиме) припревышении допустимого тока;
-коррекцияинтенсивности торможения при превышении напряжения на звене постоянного тока.
Внешниеопции тиристорного преобразователя:
-возможностьподключения внешнего тормозного блока для приёма энергии торможения;
-возможностьуправления внешним механическим тормозом;
-подключениевнешнего датчика температуры двигателя.
12. ВЫБОРАППАРАТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ, ЗАЩИТЫ И СИГНАЛИЗАЦИИ, СОСТАВЛЕНИЕ ПЕРЕЧНЯ ЭЛЕМЕНТОВ
Выборавтоматических выключателей QF [12]
Длясиловой цепи выбор был произведён в пункте 3
Дляцепи с трансформатором выбираем двухфазный автоматический выключатель QF2 типа ВА61-29Н с электромагнитным расцепителем на переменное напряжение 220 В,номинальный ток 8 А.
Выбортрансформатора TV
Выбираемтрансформатор ОСЗР-0.040-83-УХЛ4. Номинальное напряжение первичной обмотки:220В, номинальное напряжение вторичной обмотки: 24В;
Выбордиодов VD1-VD4 [13]
Выбордиодов производится по величине обратного напряжения и максимального значениясреднего тока. Обратное напряжение, приложенное к диоду, должно быть больше1.44 U2ф, где U2ф=24 В. Максимальный средний допустимый ток должен быть большетока схемы управления. Так как ток в схеме управления не превышает 8 А, товыбираем диод Д 104-10-3-УХЛ4. Максимальный средний допустимый ток диода I =10А.
Выборкнопочных выключателей SB [10]
Кнопкивыбираем по напряжению и току. Выбираем кнопки серии ВК43, рассчитанные на ток10А.
Кнопочныйвыключатель SB1 серии ВК43-21-01110-54 УХЛ2, Uном = 220В. Число контактов: 1замыкающий.
Кнопочныйвыключатель SB2 серии ВК43-21-01110-54 УХЛ2, Uном = 220В. Число контактов: 1замыкающий.
Выключателикнопочные SB3-SB5 серии ВК43-21-10110-54 УХЛ2, Uном = 24В.
Выборконтакторов KM [10]
КонтакторКM1 типа КМ2000 с одним замыкающим контактом. Номинальный ток контактов 100А,катушка контактора на постоянное напряжение 220 В.
КонтакторКM2 типа КТ6000/2 с одним размыкающим контактом. Номинальный ток контакта 630А, катушка контактора на постоянное напряжение 220 В.
Выборреле времени KT [10]
Выбираемреле времени КТ типа РСВ15-1-46131-0УХЛ-4 с одним замыкающим и однимразмыкающим контактом. Диапазон регулирования уставки 1-10 мин. Катушка реле напостоянное напряжение 220 В.
Выборплавких предохранителей FU [13]
Предохранителиставятся в цепь управления, где отсутствуют большие скачки тока. Поэтомувыбираем номинальный ток плавкой вставки предохранителя в 2 раза превосходящийток цепи.
Выбираемпредохранители ПП57 – 3127 с номинальным током плавкой вставки 25 А иноминальным напряжением переменного тока 220 В.
Выборсигнальных ламп HL
Выбираемсигнальную лампу HL типа АС 12015 У2 ТУ 16-535.930-76 на напряжение 24 В.
13. СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ
1. Булгаков, А.А. Частотноеуправление асинхронными двигателями./ А.А. Булгаков. – 3-е перераб. изд. – М.:Энергоиздат, 1982. – 216 с.: ил.
2. Ключев, В.И. Теорияэлектропривода: Учебник для вузов / В.И. Ключев. – M.: Энергоиздат, 1985. – 560 с.: ил.
3. Ключев, В.И. Электропривод иавтоматизация общепромышленных механизмов: Учебник для вузов / В.И. Ключев,В.М. Терехов. – М.: Энергия, 1980. – 360 с.: ил
4. Чиликин, М.Г. Общий курсэлектропривода: Учебник для вузов / М.Г. Чиликин, А.С. Сандлер. – 6-е изд.,доп. и перераб. – М.: Энергоиздат, 1981. – 576 с.: ил.
5. Чиликин, М.Г. Основыавтоматизированного электропривода: Учеб. пособие для вузов / М.Г. Чиликин,М.М. Соколов, В.М. Терехов, А.В. Шинянский. – М.: Энергия, 1974. – 568 с.: ил.
6. Кравчик, А.Э. Асинхронныедвигатели серии 4А: Справочник / А. Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. – М.: Энергоиздат, 1982. – 504с.: ил.
7. Онищенко,Г.Б. Автоматизированный электропривод промышленных установок: Учеб. пособие длястудентов вузов / Под общ. ред. Г.Б. Онищенко. – М.: РАСХН, 2001. – 520 с.: ил.
8. Яуре, А.Г. Крановый электропривод:Справочник / А.Г. Яуре, Е.М. Певзнер. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 344 с.:ил.
9. Стандарт промышленногопредприятия. Проекты дипломные и курсовые. Общие требования к оформлениюпояснительных записок и чертежей. СТП 1-У-НГТУ-2004/ НГТУ: Н.Новгород, 2004.
10. Реле управления и защиты/Н.В.Возняк. М., Информэлектро, 1998.
11. Аппараты защиты. т.1, ч.1.Предохранителя низкого и высокого напряжения. Справочник. М., Информэлектро1999.
12. Автоматические выключатели общегоприменения до 630 А. Справочник. М., Информэлектро, 1996, 184с.: с илл. табл.
13. Силовые полупроводниковыеприборы: Справочник /О.Г.Чебовский Л.Г.Моисеев, Р.П.Недошивин -2-е изд.,перераб. и доп. -М., Энергоатомиздат, 1985. -400с., илл.
Спецификация
Поз. обозн. Наименование Кол. Примечание Двигатель М 4АС200М4У3 1 Трансформатор понижающий TV ОСЗР-0.040-83-УХЛ4 1 U1=220 В U2=24 В Тиристорный преобразователь ТПЧ HYUNDAI N300 1 UН=380В IН=75А Автоматические выключатели QF1 АЕ2063ММ 1 380В, 53А QF2 ВА61-29Н 1 220В, 8А Контакторы КМ1 КТ6000/2, 2з 1 UН=220В IН=630А КМ2-KM3 КМ2000, 3з+1р 2 UН=220В IН=100А Реле времени КТ1 РСВ15-1-46131-40УХЛ-4, 1з+1р 1 1-10 мин Выключатели кнопочные SB1-SB2 ВК43-21-01110-54УХЛ2, 1з+1р 2 IНMAX=10А SB3-SB5 ВК43-21-10110-54УХЛ2, 2з+2р 3 IНMAX=10А Конечные выключатели SQ1-SQ2 КУ703А 2 Диоды VD1-VD4 Д104-10-3-УХЛ4 4 IF=10 A Предохранители FU1-FU3 ПП57-3127 3 IН=25А Потенциометр RP1 ППБ-1А-10Вт-1кОм±10% 1 Лампы HL1-HL2 АС 12015 У2 ТУ 16-535.930-76 24В 2 Красный