Расчет системы электропривода подъёма мостового крана

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Предварительный выбор элементов системы электропривода

1.1 Определение времени работы и построение скоростной диаграммы механизма

1.2 Расчет статических и динамических усилий в механизме и построение упрощенной нагрузочной диаграммы

1.3 Расчет потребной мощности и выбор двигателя по каталогу

1.4 Определение передаточного числа и выбор редуктора по каталогу

1.5 Приведение параметров движения к валу двигателя и предварительная проверка двигателя

2. Расчет статических характеристик электропривода

2.1 Расчет естественных характеристик двигателя постоянного тока последовательного возбуждения

3. Расчет искусственных характеристик

3.1 Расчет искусственных характеристик и параметров схем включения двигателя постоянного тока при питании от сети

4. Расчет переходных процессов и построение полной нагрузочной диаграммы электропривода

4.1 Расчет параметров, определяющих динамику электропривода

4.2 Особенности расчета переходных процессов в различных режимах работы электропривода

5. Проверка выбранного электрооборудования и расчет энергетических показателей электропривода

5.1 Проверка двигателя по нагреву и перегрузочной способности

5.2 Расчет энергетических показателей электропривода

Заключение

Список использованной литературы



Введение

Проблема регулирования скорости машин и механизмов с целью экономии электроэнергии решилась в последнее десятилетие в основном с помощью регулируемых электроприводов. Причем, если еще 70-80-х годах преобладающим были регулируемые электроприводы постоянного тока, то в настоящее время они повсеместно вытесняются регулируемыми электроприводами переменного тока, как правило, с асинхронным электродвигателями с короткозамкнутым ротором. Объясняется это достижениями микроэлектроники, позволяющими реализовать небольшими аппаратными затратами довольно сложные алгоритмы управления электродвигателем переменного тока, который в общем случае предпочтительнее двигателя постоянного тока по надежности, массе, габаритам и стоимости.



1. Предварительный выбор элементов системы электропривода.

1.1. Определение времени работы и построение скоростной диаграммы механизма.

Спуск и подъем пустого крюка:

Определим время переходного процесса, с:

Определим длину пройденного участка, м:

Определим время спуска и подъема пустого крюка, с:

Спуск и подъем нагруженного крюка:

Определим время переходного процесса, с:

Определим длину пройденного участка, м:



Определим время спуска и подъема нагруженного крюка, с:

Суммарное время работы, с:

Суммарное время работы, при заданной продолжительности включения, с:

Суммарное время паузы, с:

Время паузы, с:

где - количество пауз за время работы механизма за весь технологический процесс.

1.2 Расчет статических и динамических усилий в механизме и построение упрощенной нагрузочной диаграммы.

Предварительный выбор двигателя по мощности производится приближенно, поскольку на начальном этапе проектирования неизвестна полная (статическая и динамическая) нагрузка. Наиболее распространенный метод предварительного расчета мощности двигателя основан на учете лишь статических нагрузок, которые определяются из исходных данных на проектирование. Затем рассчитываются полная нагрузочная диаграмма работы предварительного выбранного двигателя, и приводится его проверка по критериям нагрева, перегрузочной способности и по условиям пуска.

Коэффициент загрузки:

КПД механизма при частичной загрузке, %:

Различают силовой и тормозной спуск. Силовой спуск имеет место при опускании пустого крюка или легких грузов, сила тяжести которых не способна преодолеть силы трения в механизме.

Статический момент при силовом спуске (спуске пустого крюка),

Статический момент подъема груза с учетом потерь в механизме,

Статический момент при тормозном спуске ( спуске груза),

Статический момент при подъеме пустого крюка,

где - ускорение свободного падения.

На рисунке 1 и 2 приведены упрощенная скоростная и нагрузочная диаграммы

Рис. 1 - Упрощенная скоростная диаграмма



Рис. 2 - Упрощенная нагрузочная диаграмма.

1.3 Расчет потребной мощности и выбор двигателя по каталогу

Для механизмов, работающих в повторно - кратковременном режиме S3 - S5, предварительный выбор мощности двигателя осуществляется с пересчетом на стандартную продолжительность включения (%), указанную в каталоге:

Где - коэффициент запаса, учитывающий потери мощности в редукторе и действие неучтенных динамических нагрузок, обусловленных вращающимися элементами электропривода. Эта величина зависит от отношения времени переходных процессов к времени установившегося движения ЭП, а также от отношения максимальных моментов рабочей машины к статическим моментам - большие значения берутся для нагрузочной диаграммы с большим числом включений и большими пиками.

- основная угловая скорость вращения рабочего органа механизма, . При однозонном регулировании скорости (реостатном, якорном) основной скоростью будет скорость, соответствующая естественной.

- среднеквадратичное значение момента на нагрузочной диаграмме механизма,

В каталоге двигателей указывается стандартная продолжительность включения двигателя. Следует выбрать наиближайшее большее из ряда = 15, 25, 40, 60, 100 %

Скорость рабочего органа при пустом крюке, :

Скорость рабочего органа при нагруженном крюке, :

Среднеквадратичное значение момента на нагрузочной диаграмме,



Момент инерции рабочего органа при опускании пустого груза,

Момент инерции рабочего органа при подъеме груза,

Фактическое значение продолжительности включения электропривода, %;

Где - время одного цикла работы, с.

Выбираем ближайшее большее значение продолжительности включения:

= 25%

Предварительная мощность двигателя работающего в повторно-кратковременном режиме, Вт:

где - коэффициент запаса.



1.4 Определение передаточного числа и выбор редуктора по каталогу

После определения потребной мощности двигателя при неизвестном передаточном числе редуктора необходимо по каталогу подобрать несколько двигателей (3-4) с различными скоростями.

Для данного условия по мощности выберем предварительно несколько двигателей:

Таблица 1 - Двигатели с различными мощностями

Тип двигателя
МП-82	100	475	25,3	19,131	5,941
МП-82	106	420	25,3	16,916	5,941
МП-82а	130	600	25,3	24,166	5,941

Номинальная скорость двигателя:

Требуемое передаточное число редуктора:

Момент инерции вала двигателя с вращающимися элементами на валу

где - коэффициент, учитывающий неучтенные маховые массы элементов на валу двигателя

Момент инерции рабочего органа,

Оптимальное передаточное число редуктора, обеспечивающее максимальное быстродействие системы в переходных режимах:

Оптимальное считается такое передаточное отношение редуктора, при котором произведение минимально.

Выбираем краново-металлургический двигатель МП-82 с техническими данными:

Выбираем редуктор, исходя из условия:

Выбираем редуктор РЦД-1150-16

Отклонение фактического передаточного отношения от требуемого значения:

КПД редуктора:

где - КПД подшипников; j- число пар подшипников.

- КПД цилиндрической передачи.

1.5. Приведение параметров движения к валу двигателя и предварительная проверка двигателя

На этапе предварительного расчета мощности электродвигателя были рассчитаны статические и динамические моменты рабочего органа. После выбора двигателя и редуктора, когда известны КПД и передаточное число редуктора, все моменты рабочего органа пересчитываются на ось вала двигателя. Так, для двигательного режима работы, когда потери в редукторе покрываются со стороны двигателя, статический момент рабочего органа приведенный к валу, рассчитывается по формулам:

Момент при опускании пустого крюка,

Момент при подъеме груза,



Момент при опускании груза (генераторный режим),

Момент при подъеме пустого крюка,

Номинальный момент на валу двигателя,

Номинальный момент двигателя,

Момент холостого хода,

Полный приведенный к валу двигателя статический момент для каждого участка,

При спуске пустого крюка:



При подъеме груза:

При опускании груза:

При подъеме пустого крюка:

Приведенный к валу двигателя суммарный момент инерции системы электропривода,

При пустом крюке:

При нагруженном крюке:

Приведенный к валу двигателя максимальный динамический момент системы,

При пустом крюке:

При нагруженном крюке:

Пересчет скоростной и нагрузочной диаграмм.

Установившиеся скорость при подъеме и опускании пустого крюка, :

Установившиеся скорость при подъеме и опускании груза, :

Ориентировочные время работы в переходных режимах, с:

При пустом крюке:

При нагруженном крюке:



где - коэффициент характеризующий уменьшение динамического момента в переходных режимах по сравнению с ( при питании двигателя от сети )

Угол поворота вала в переходных режимах, град.

При работе без груза:

При работе с грузом:

Установившиеся линейная скорость, м/с:

При подъеме и опускании пустого крюка:

При подъеме и опускании груза:

Длина пройденного участка , м:



При пустом крюке:

При нагруженном крюке:

Уточняем линейную скорость, м/с:

При работе без груза:

При работе с грузом:

Пересчитываем все времена, с:

Определим общее время спуска и подъема пустого крюка:

Определим общее время спуска и подъема нагруженного крюка:



Суммарное время работы, с:

Суммарное время работы, при заданной продолжительности включения, с:

Суммарное время паузы, с:

Время паузы, с:

где - количество пауз за время работы механизма за весь технологический процесс.



Рис. 3 - Уточненная скоростная диаграмма

Рис. 4 - Уточненная нагрузочная диаграмма

Предварительная двигателя по нагреву осуществляется по величине среднеквадратичного момента нагрузочной диаграммы двигателя,

Номинальный момент двигателя при заданной ПВ,

Выбранный двигатель проходит по нагреву.

Проверка двигателя на максимальную перегрузку,

электропривод двигатель ток нагрев

Двигатель проходит по перегрузке.



Рис. 5 - Релейно-контакторная схема управления ДПТ последовательного возбуждения.



2. Расчет статических характеристик электропривода

2.1 Естественные характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

Расчет естественных характеристик ДПТ последовательного возбуждения производится графоаналитическим методом на основании каталожных универсальных зависимостей момента на валу и частоты вращения вала от тока якоря в относительных единицах.

Зададимся базовыми величинами :

Построение естественной электромеханической характеристики осуществляется простым пересчетом зависимости в абсолютные единицы и переходом к угловой скорости

Построения зависимости электромагнитного момента от тока якоря производится аналогично.



Рис. 6- Естественные универсальные характеристики ДПТ последовательного возбуждения.

В абсолютные единицы переводим по следующим формулам:

Однотипные расчеты сведены в таблицу 1.

Таблица 2 - Результаты расчета зависимостей и

	0,4	0,6	0,8	1	1,2	1,4	1,6	1,8	2
	212	318	424	530	636	742	848	954	1060
	1,6	1,26	1,1	1	0,92	0,88	0,8	0,75	0,7
	70,4	55,44	48,4	44	40,48	38,72	35,2	33	30,8
	0,25	0,5	0,7	1	1,3	1,59	1,9	2,2	2,5
	601	1202	1682,8	2404	3125,2	3822,36	4567,6	5288,8	6010

Рис. 7- Естественные универсальные характеристики ДПТ в абсолютных единицах.

Теперь для расчета естественной механической характеристики воспользуемся зависимостью электромагнитного момента от тока якоря задаваясь несколькими значениями токов якоря ( не менее пяти точек) для каждого из которых находим значения М и .

Результаты сведены в таблицу 2.

Таблица 3 - Результаты расчета механической характеристики

	250	400	530	700	900
	753	1600	2404	3550	4950
	63	52	44	38	34

Рис. 8- Естественная характеристика ДПТ последовательного возбуждения.



3. Расчет искусственных характеристик

3.1 Расчет искусственных характеристик и параметров схем включения двигателя постоянного тока при питании от сети

Внутреннее сопротивление двигателя, приведенное к нагретому состоянию, Ом:

где - коэффициент нагрева, значение которого зависят от типа габаритов двигателя.

Найдем статический ток, А:

Зададимся токами переключения и причем :

Найдем сопротивления в виде зависимости угловой скорости двигателя от сопротивления при неизменном токе якоря, Ом:

Для ДПТ последовательного возбуждения расчет искусственных характеристик, проходящих через заданную точку, выполняется по формуле:

где и - находятся по построенной ранее естественной характеристике , - находится графически по пусковой диаграмме.

Расчет первой искусственной характеристики:

Расчет для первого тока , при

Однотипные расчеты сведены в таблицу 3.

Таблица 4 - Результаты расчетов для первой искусственной характеристики.

	300	450	600	800	1060
	57	48	41	36	31,5
	50,958	40,254	32,044	25,297	18,748

Расчет второй искусственной характеристики:

Расчет для первого тока , при

Однотипные расчеты сведены в таблицу 4.



Таблица 5 - Результаты расчетов для второй искусственной характеристики.

	300	450	600	800	1060
	57	48	41	36	31,5
	41,876	28,609	18,126	9,208	-0,422

Рассчитаем добавочное сопротивление при торможении, Ом:

Где - частота вращения при статическом токе ,

Рис. 9- Пусковая диаграмма



4. Расчет переходных процессов и построение полной нагрузочной диаграммы электропривода

Переходные процессы электропривода возникают при изменении управляющих (напряжение, частота) и возмущающих (момент нагрузки) воздействий. Расчет переходных процессов заключается в определении зависимостей скорости , момента , тока , угла поворота вала двигателя во времени и необходим для определения длительности и характера их протекания, что позволяет построить полные нагрузочные диаграммы совместно с переходными и установившимися режимами работы электропривода. Нагрузочные диаграммы дают возможность проверить выбранный двигатель по условиям заданной производительности, по нагреву, кратковременной перегрузке и условиям пуска. Они используются также для проверки по нагреву пусковых и тормозных резисторов и для проверки по допустимой перегрузке силовых преобразователей.

На характер и длительность переходного процесса основное влияние оказывают звенья электропривода, в которых может аккумулироваться энергия в виде механической, запасенной в движущихся элементах механизмов, и электромагнитной энергии, обусловленной индуктивностью обмоток электрических машин. Если при анализе динамики электропривода учитывается только механическая инерция, то переходные процессы называют механическими. Переходные процессы, рассматриваемые при совместном действии механических и электромагнитных явлений, называют электромеханическими.

4.1 Расчет параметров, определяющих динамику электропривода

Так как расчет переходных процессов для ДПТ последовательного возбуждения сложен, (из-за нелинейной механической характеристики) поэтому упрощаем задачу, линеаризовав электромеханические характеристики. Теперь можно рассчитывать переходные процессы как ДПТ независимого (параллельного) возбуждения.

Найдем электромеханические постоянные времени при пуске:

где

Время переходного процесса при пуске, с:

Рассчитаем угловые скорости при пуске, :



4.2 Особенности расчета переходных процессов в различных режимах работы электропривода

Сопротивление при торможении противовключением, Ом:

где - скорость при статическом токе на естественной характеристике.

Электромеханическая постоянная при торможении:

Просадка скорости ДПТ, :

Найдем величину статической скорости, :

где - скорость холостого хода на линейной естественной характеристике.

Найдем время переходного процесса при торможении, с:



5. Проверка выбранного электрооборудования и расчет энергетических показателей электропривода

5.1 Проверка двигателя по нагреву и перегрузочной способности

Условие правильного выбранного двигателя по условиям нагрева имеет вид:

Разбиваем график нагрузочной диаграммы на отдельные прямолинейные участки, для каждого из которых определяем среднеквадратичное значение тока по формуле:

где и - значение тока в начале и в конце i-го прямолинейного участка нагрузочной диаграммы.

Среднеквадратичные значения токов на i-м участке нагрузочной диаграммы, А:

Значение допустимого по нагреву тока двигателя, работающего в повторно-кратковременном режиме, А:

Эквивалентный тока , А, характеризующий нагрев двигателя за весь цикл работы:

где при - коэффициент ухудшения теплоотдачи двигателя.

Двигатель проходит проверку по условиям нагрева:

Двигатель проходит проверку по условиям по перегрузке:

где



5.2 Расчет энергетических показателей электропривода

Энергетические показатели электропривода характеризует экономичность преобразования энергии системой электропривода (коэффициент полезного действия ) и экономичность потребления энергии из сети (коэффициент мощности ). Мгновенное значение и могут характеризовать экономичность работы электропривода только в установившихся режимах работы. Универсальной оценкой энергетических показателей ЭП является средневзвешенное значение КПД двигателя за время «однотипного» цикла работы механизма.

Механическая энергия за время переходного процесса:

где и - средние значения момента и скорости на i-м участке работы длительностью .

Задаемся токами на каждом участке нагрузочной диаграммы и подставляя их в естественные универсальные характеристики ДПТ и находим средние значения моментов, :

Средние значения скорости на каждом участке нагрузочной диаграммы, :

Находим механическую энергию на каждом участке, Дж:

Суммарная механическая энергия, Дж:

Полные потери двигателя, Вт:

Переменные потери в двигателе, Вт:

где - коэффициент постоянных потерь.



Рис. 10 - Линеаризованный график естественной характеристики

Линеаризуя график естественной характеристики до пересечения с осью ординат получим:

Теперь найдем потери энергии в двигателе, работающим вхолостую, Вт:

Средний ток при пуске, А:

Средний ток при торможении, А:

Потери энергии в переходных режимах работы двигателя под нагрузкой, Вт:

При пуске:

При торможении:

Сумма потерь энергии двигателя работающего под нагрузкой, Вт:

Постоянные потери в двигателе, Вт:

Потребление активной энергии двигателем, Вт:

где

Среднецикловой КПД двигателя:



Среднецикловой КПД электропривода:



Заключение

При курсовом проектировании мы ознакомились с практическими методами определения нагрузок и моментов инерции производственных механизмов, приобрели навыки расчета переходных процессов, построения нагрузочных диаграмм электропривода, выбора мощности двигателей производственных механизмов, разработки принципиальных электрических схем электропривода.

Познакомились с кинематическими схемами и методами составления расчетных схем механической части электропривода, а также с методами определения оптимального передаточного отношения между двигателем и рабочим органом.



Список использованной литературы

1. Пахомов, А. Н. Теория электропривода. Переходные процессы: метод. указания к практическим занятиям / А. Н. Пахомов. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. - 55 с.

2. Теория электропривода: учеб. пособие по курсовому проектированию / А.Н. Пахомов, М.В. Кривенков. - Красноярск: ИПК СФУ, 2009. - 148 с.

Размещено на Allbest.ru

...