Автоматизированный электропривод
Расчётно-пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Автоматизированный электропривод»
Тема: Разработать электропривод механизма передвижения
мостового крана.
Выполнил студент: Барулин Ю.В.
Российский химико-технологический университет имени
Д.И.Менделеева.
Новомосковский институт
Кафедра «Электротехники»
Новомосковск 2004 г.
Задание
Разработать
электропривод механизма передвижения мостового крана.
Механизм
включает двигатель постоянного тока, торможение включением сопротивления в цепь
якоря. Вращение ротора двигателя передаётся через редуктор ходовым колесом,
имеющем диаметр D=0.4м и цапф Dц=0,008м.Тележка перемещает кран с грузом mг=28
т на расстоянии перемещения L=18 м, скорость передвижения v=19 м/мин, а вес
самой тележки mт=6 т, К.П.Д. передач механизма n=0,65.
Кроме
того, при расчёте электропривода задаются продолжительностью включения ПВ=34% и
приведённым к валу двигателя моментом энерции механизма I1=25% от момента
инерции ротора электродвигателя.
Цикл
работы тележки включает перемещение груза на расстояние и возвращение назад без
груза. Разработать схему управления, которая должна обеспечивать ступенчатый
пуск, электрическое торможение, снижение скорости перед остановкой до (20-30)%
от номинальной, фиксацию механизма электромеханическим тормозом при отключении
двигателя от сети.
Срок
сдачи проекта
Дата
выдачи задания
Введение
Эффективность
средств производства, которыми располагает человеческое общество, в
значительной степени определяется совершенством способов получения энергии,
необходимой для выполнения механической работы в производственных процессах.
Производственные механизмы, без которых нельзя в настоящее время представить
себе ни одно производство прошли длительный путь своего развития, прежде чем
приняли вид современного автоматизированного электропривода, приводящего в
движение бесчисленное множество рабочих машин и механизмов в промышленности,
транспорте, в сельском хозяйстве и в бытовой технике и автоматически
управляющего их технологическими процессами.
Пределы
использования по мощности современного электропривода весьма велики - от
десятков тысяч киловатт в единичном двигателе до долей ватта.
Современный
автоматизированный электропривод представляет собой сложную электромеханическую
систему, предназначенную для приведения в движение рабочего органа машины и
управления её технологическим процессом. Он состоит из трёх частей:
электрического двигателя, осуществляющего электромеханическое преобразование
энергии, механической части, передающей механическую энергию рабочему органу
машины, и системы управления, обеспечивающей оптимальное по тем или иным
критериям управление технологическим процессом. Диапазон изменения номинальных
частот вращения электропривода имеет весьма широкие пределы. Использование
средств дискретной техники в системах управления приводами постоянно тока
расширяет диапазон регулирования скорости до (1000-1500:1 и выше. Нельзя
представить себе ни одного современного производственного механизма, в любой
области техники, который не приводился бы в действие автоматизированным
электроприводом. В электроприводе основным элементом, непосредственно
преобразующим электрическую энергию в механическую является электрический двигатель,
который чаще всего управляется при помощи соответствующих преобразовательных и
управляющих устройств с целью формирования статистических и динамических
характеристик электропривода, отвечающих требованиям производственных
механизмов.
Речь
идёт об обеспечении с помощью автоматизированного электропривода оптимального
режима работы машин, при котором достигается наибольшая производительность при
высокой точности.
Многообразие
производственных процессов обуславливает различные виды и характеры движения
рабочих органов машины, а следовательно, и электроприводов. По виду движения
электроприводы могут обеспечить: вращательное однонаправленное движение,
вращательное реверсивное и поступательное реверсивное движение. Характеристики
двигателя и возможности системы управления определяют производительность
механизма, точность выполнения технологических операций.
Свойства
электромеханической системы оказывают решающее влияние на важнейшие показатели
рабочей машины и в значительной мере определяют качество и экономическую
эффективность технологических процессов. Развитие автоматизированного
электропривода ведёт к совершенствованию конструкций машин, к коренным
изменениям технологических процессов, к дальнейшему прогрессу во всех отраслях
народного хозяйства, поэтому теория электропривода- техническая наука,
изучающая общие свойства электромеханических систем, законы управления их
движением и способы синтеза таких систем по заданным показателям имеет
важнейшее практическое значение.
Системы
автоматического управления электроприводами постоянного и переменного тока, в
которых используются все достижения полупроводниковой техники, а так же
возможности электронной вычислительной техники, позволяют существенно упростить
конструкции производственных механизмов, повысить их точность и поднять
производительность, т.е. способствовать техническому прогрессу. Широкая
автоматизация механизмов на базе следящих систем электроприводов, систем с
цифровым программным управлением и средств комплексной автоматизации – обширная
и весьма важная развивающаяся область автоматизированного электропривода.
1.Расчёт статистических нагрузок и мощности ДТП
1.1Статистическая нагрузка при движении тележки с
грузом
Рс1=кg(mт+mг)
(мDц/2+f)v/nD/2
где
к-коэффициент, учитывающий трение
(к=1,2
1,3). Принимаем к=1,25
g-ускорение
свободного падения, Н*м2;
mт-масса
тележки, кг;
mг-масса
груза, кг;
f-коэффициент
трения качения. Принимаем в зависимости от диаметра колеса. принимаем f=0.0005
м-коэффициэнт
трения;
Dц-диаметр
цапфа;
V-скорость
передвижной тележки, м/с;
D-диаметр
колёс, м;
n-номинальный
КПД передачи механизма.
Рс1=1,25*9,81(6000+28000)(0,25*0,08/2+0,0005)*0,32/0,65*0,4/2=10776Вт=10,78кВт
Мощность
двигателя при движении тележки без груза определяется аналогично, с учётом что
mг=0
Рс2=кgmт(мDц/2+f)V/n*D/2
Рс2=1,25*9,81*6000(0,25*0,08/2+0,0005)*0,32/0,65*0,4/2=1902Вт=1,9кВт
Время
работы с грузом и без груза
tp1=tp2=L/V,
где
L-расстояние перемещения, м
tp1=tp2=18/0.32=56.8c
Время
цикла при заданной продолжительности включения
tц=(tp1+tp2)*100%
/ ПВ%?
где
ПВ% заданная продолжительность включения
tц=(56,8+56,8)*100%
/ 34%=334 c
Время
пауз
tп1=tп2=(tц-(tp1+tp2))/2
tп1=tп2=(334-(56,8+56,8))/2=110,2с
Так
как время цикла меньше 10 минут, то режим работы повторно-кратковременный
Эквивалентная
среднеквадратичная мощность за время работы
Рэ=
(Р2с1*tp1+P2c2*tp2)/(tp1+tp2)
Рэ=
(10,782*56,8+1,92*56,8)/(56,8+56,8) =7,74кВт
Эквивалентная
мощность , приведённая к стандартной ПВ%
Pэк=Кз*Рэ*
ПВ/ПВст ,
где
Кз-коффициэнт запаса (Кз=1,1 1,3). Принимаем Кз=1,2;
ПВст-стандартная
продолжительность включения, ПВст=40%
Рэк=1,2*7,74
34/40 =8,56 кВт
Выбор
двигателя постоянного тока (ДПТ)
Согласно
[4] номинальная мощность выбираемого двигателя должна быть эквивалентной
мощности,
Рэк
>Рэн. Выбираем D32
Рном=12кВт;
nном=800 мин-1; Uном=220В; Кa =0.28 Ом;
Iном=57А;
Iв=1,85А; Р при ПВ=40%=9,5кВт; Iдв=0,425кг*м2
Номинальная
угловая скорость
wн=2пn/60,
где
n-номинальная частота вращения,
wн=2*3.14*800/60=83.37
Передаточное
отношение редуктора
ip=(wн*D/2)/V*60
ip=(83.37*0.4/2)/0.32*60=0.87
2.Расчёт и построение эл./механических характеристик
2.1 Построение соответственных электромеханических
характеристик.
Механические
характеристики для ДТП с параллельным возбуждением представляют собой прямые
линии, поэтому для их построения достаточно определить координаты 2-х точек:
номинального режима и холостого хода
Номинальный
момент
Мн=Рн/wн,
где
Рн-номинальная мощность двигателя, кВт
Мн=12000/83,73=133,46
Н*м
Для
холостого хода момент принимается равным нулю, М0=0.
Скорость
находится из выражения
w0=Uн/КФ,
где
КФ=(Uн-Iн*Ra )/wн,
где
Uн-номинальное напряжение при ПВ%ст,В;
Iн-номинальный
ток, А;
Ra
-суммарное сопротивление якоря, Ом.
КФ=(220-57*0,28)/83,73=2,44
w0=220/2.44=90.16
Эти
характеристики представлены на рисунке 4.
2.2 Статистические моменты сопротивления двигателя при
движении тележки с грузом и без груза
Мс1=Рс1/wн
Мс1=10,78/83,37=128,7
Н*м
Мс2=Рс2/wн
Мс2=1,9/83,73=22,71
Н*м
Строим
их как вертикальные линии в 1 и 3 квадранте.
2.3 Для построения пусковых реостатных характеристик
задаемся моментами переключения
М1=(2
3)Мн
М1=(2
3)*133,6=226,92 340,38 Н*м
М2>(1.1
1.2)Мн
М2>(1,1
1,2)*133,46>124,81 156,12 Н*м
П
=М1/Мн
П=(226,92
34,38)/133,46=2 3
Rном=Uном/Iном
Rном=220/57=3.86
Ом
Ra=Ra
/Rном=0,28/3,86=0,0725
Принимаем
П =3. Задаёмся числом ступеней z=2
М2=
Пz Ra*П
М2=32
0,0725*3 =1,39
М2=М2*Мн
М2=1,39*133,46=158,74
Выбранные
значения П и z соответствуют выполнению условия М2>(1,1 1,2)Мн
2.4 Построение тормозной характеристики для ДТП
При
типе торможения В строим тормозные характеристики, проводя прямые через точку
w0 и пересечение линии Мс и точкой 0,2wн
2.5 Расчёт пусковых и тормозных резисторов
R1=Rном*bc/af=3.86*8/92=0.34
R2=Rном*cd/af=3.86*16/92=0.67
Rт1=Rном*de/af=3.86*32/92=1.34
Rт2=Rном*de/af=3.8*275/92=11.54
3.Расчет
переходных процессов при пуске и торможении электропривода
3.1
Расчёт переходных процессов при движении тележки с грузом
Тм=Iw0/Mкз=I
w/ M
Iг=Iдв+(I1/100%)Iдв+mг(V/wдв)2
где
Iдв-момент инерции двигателя, кг*м2
I1-момент
инерции механизмов, приведённой к валу, %
mг-масса
тележки с грузом, кг
V-скорость
движения тележки, м/с
wдв-частота
вращения двигателя, об/мин
Iг=0,425+(25/100)*0,425+34000(0,32/800)2=0,54
Рассматриваем
переходный процесс при движении тележки с грузом по участкам
участок
1-2
w=(wнас-wуст)e-t/Tм+wуст
М=(Мнас-Муст)е-t/Тм+Муст
Для
определения переходного процесса, необходимо знать:
Тм1=Iг*w2/(V1-V2)
wнач=0
; wуст=w7=54
Мнач=320;
Муст=128,7
Тм1=0,54*47/(320-158,7)=0,16
w=(0-54)e-t/0.16+54
M=(320-128.7)e-t/0.16+128.7
Результаты
вычислений сводим в таблицу
1
этап разгона
t
0
0,1
0,2
0,3
w
0
25,1
38,5
47
M
320
231,1
183,5
158,7
участок
3-4
wнач=w2=47;
wуст=w8=73
Mнач=320=M1;
Mуст=Mc1=128.7
Tм2=I(w4-w2)/(M1-M2)
Tм2=0.54(70-47)/(320-158.7)=0.08
w=(w2-w8)e-t/Tм2++w8
w=(47-73)e-t/0.08+73
М=(М1-Мс1)е-t/0,08+Мс1
М=(320-128,7)е-t/0.08+128.7
Результаты
расчёта сводим в таблицу
11
этап разгона
t
0
0,1
0,2
w
47
65,5
70
M
320
183,5
158,7
участок
5-6
wнач=w4=70;
wуст=w6=83
Mнач=M1=320;
Mуст=Mc1=128.7
Tм3=Iг(w6-w4)/(M1-Mc1)
Tм3=0.54(83-70)/(320-128.7)=0.04
w=(w4-w6)e-t/Tм3+w6
w=(70-83)e-t/0.04+83
M=(M1-Mc1)e-t/Tм3+Mc1
M=(320-128.7)e-t/0.04+128.7
Результаты
расчета сводим в таблицу
участок
3`-4`
wнач=w2=-47;
wуст=w8`=-88
Mнач=-M1=-320; Mуст=-Mc2=-22,7
Tм2`=I/(w4`-w2`)/(-M1+M2)
Tм2`=0.53(-47)/(-320+158,7)=0.15
w=(wнач-w7)e-t/Tм1+w7
w=84e-t/0.15-84
M=(-M1+Mc2)e-t/Tм1-Mc2
M=(-320+22,7)e-t/0.15-22,7
Результаты
вычислений сводим в таблицу
Выход
на естественную характеристику
t
0
0,1
0,2
w
70
82
83
M
320
144,4
128,8
участок
9-10
wнач=w9=83;
wуст=w10=17
Mнач=M9=14;
Mуст=Mc1=128.7
Tм4=Iг(w10-w9)/(M9-Mc1)
Tм4=0.54(17-83)/(14-128.7)=0.34
w=(w9-w10)e-t/Tм4+w10
w=(88-17)e-t/0.34+17
M=(M9-Mc1)e-t/Tм4+Mc1
M=(14-128.7)e-t/0.34+128.7
Результаты
вычислений сводим в таблицу
этап
торможения
t
0
1
2
w
83
20,5
17,2
M
14
122,6
128,4
3.2
Расчёт переходных процессов при движении тележки без груза
I=Iдв+(I1/100%)Iдв+m(V/wдв)2
где
I-момент инерции электропривода, кг*м2
m-масса
тележки с грузом, кг
I=0,425+(25/100)*0,425+6000(0,32/800)2=0,53
Рассмотрим
переходный процесс при движении тележки без груза по участкам
участок
1`-2`
wнач=0;
wуст=w7=-84
Mнач=-M1=14;
Mуст=-Mc2=-22,7
Tм1=Iw2/(-M1+M2)
Tм1=0.53*(-47)/(-320+158,7)=0.15
w=(wнач-w7)e-t/Tм1+w7
w=84e-t/0.15-84
M=(-M1+Mc2)e-t/Tм1-Mc2
M=(-320+22,7)e-t/0.15-22,7
Результаты
вычислений сводим в таблицу
1
этап разгона
t
0
0,1
0,2
w
0
-40,8
-47
M
-320
-175,3
-158,7
участок
3`-4`
wнач=w2`=-47;
wуст=w8`=-88
Mнач=-M1=-320;
Mуст=-Mc2=-22,7
Tм2`=I/(w4`-w2`)/(-M1+M2)
Tм2`=0.53(-47)/(-320+158,7)=0.15
w=(w2-w8)e-t/Tм`+w8
w=(-47+88)e-t/0.15-88
M=(-M1+Mc2)e-t/Tм2`-Mc2
M=(-320+22,7)e-t/0.075-22,7
Результаты
вычислений сводим в таблицу
11
этап разгона
t
0
0,1
0,06
w
-47
-77,2
-70
M
-320
-101,1
-158,6
участок
5`-6`
wнач=w4`=-70;
wуст=w6`=-90
Mнач=-M1=-320;
Mуст=-Mc2=-22,7
Tм3`=I/(w6`-w4`)/(-M1+Mc2)
Tм3`=0.53(-90+70)/(-320+22.7)=0.035
w=(w4`-w6`)e-t/Tм3`+w6`
w=(-70+90)e-t/0.035-90
M=(-M1+Mc2)e-t/0.035-Mc2
M=(-320+22,7)e-t/0.035-22,7
Результаты
вычислений сводим в таблицу
Выход
на естественную характеристику
t
0
0,1
0,2
w
-70
-89,3
-90
M
-320
-33,3
-22,7
участок
5`-6`
wнач=w9`=-90;
wуст=w10`=-17
Mнач=M9`=-2;
Mуст=-Mc2=-22,7
Tм4`=I/(w9`-w10`)/(-Mc2+M9`)
Tм4`=0.53(-90+17)/(-22.7+2)=1.8
w=(w9`-w10`)e-t/Tм4`+w10`
w=(-90+17)e-t/1.8-17
M=(M9`+Mc2)e-t/Tм4-Mc2
M=(-2+22,7)e-t/1.8-22,7
Результаты
вычислений сводим в таблицу
этап
торможения
t
0
1
2
3
4
5
6
7
w
-90
-58,9
-41,03
-30,8
-25
-21,5
-19,8
-17,1
M
-2
-10,8
-15,9
-18,8
-20,5
-21,4
-22
-22,7
4.Строим
нагрузочные диаграммы для проверки двигателя по нагреву
Движения
тележки с грузом
SOAB=1/2AB*OB
SOAB=1/2*(110/60)*0.7=0.64
рад
Lпуск=SОАВ*D/2*ip
где
D-диаметр ходовых колёс, м
ip-передаточное
отношение редуктора
Lпуск=0,64*0,4/2*0,87=0,15
м
SCFGD=SCKE+SEFGD
SCKE=1/2CE*EK
SEFGD=ED*DG
SEFGD=(16/60)*3+0.8 рад
SCFGD=0.56+0.8=1.36 рад
Lторм
г=SCFGD*D/2*ip
Lторм
г=1.36*0.4/2*0.87=0.31 м
Lуст.г=L-(Lпуск.г+Lторм
г)
Lуст.г=18-(0.15+0.31)=17.54
м
Определяем
установившееся время работы при движении тележки с грузом
tуст.г=Lуст.г/V
tуст.г=17.54/0.32=54.8
с
Движение
тележки без груза
SOAB=1/2AB*OB
SOAB=1/2(110/60)0.4=0.37
рад
Lпуск.б/г=SOAB*D2*ip
где
Lпуск-расстояние, на которое перемещается тележка
во
время пуска, м
Lпуск
б/г=0,37*0,4/2*0,87=0,08 м
SCDEF=SKDG+SCKFE
SKDG=1/2KD*CE
SKDG=1/2(73/60)*3.6=2.19 рад
SCKFE=CK*CE
SCKFE=(17/60)*7=1.98 рад
SCDEF=2.19+1.98=4.17 рад
Lторм г=SCDFE*D/2*ip
Lторм
г=4.17*0.4/2*0.87=0.96 м
Lуст.г=L-(Lпуск.б/г+Lторм
б/г)
Lуст.г=18-(0.08+0.96)=16,96
Определяем
установившееся время работы при движении тележки без груза
tуст.г=Lуст.б/г/V
tуст.б/г=16,96/0.32=53
с
Проверка
двигателя по нагреву осуществляется методом эквивалентного момента, который
определяется по нагрузочной диаграмме при работе тележки с грузом и без груза
Мэкв= М i2*ti/ ti