Электрический привод производственного механизма

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

двигатель электромеханический мощность

Электрическим приводом называется электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочих органов машин и управления их технологическими процессами, состоящее из передаточного, электродвигательного, преобразовательного и управляющего устройств.

Электропривод является преобразователем электрической энергии в механическую. Кроме функции преобразования энергии, на электропривод возлагается важная функция управления технологическим процессом приводимого в движение механизма. Электропривод органически сливается с приводимым в движение исполнительным механизмом в единую электромеханическую систему, от физических свойств которой зависят производительность, динамические нагрузки, точность выполнения технологических операций и ряд других очень важных факторов. Открываются широкие возможности для формирования путем воздействия на систему управления электроприводом заданных законов движения рабочих органов машин, осуществления связанного автоматического управления взаимодействующими в технологическом процессе механизмами, оптимизации их работы по тем или иным критериям.

В данном курсовом проекте спроектирован электропривод производственного механизма, предположительно грузоподъемного, на базе асинхронного двигателя с фазным ротором, удовлетворяющий заданным параметрам и режимам работы. В качестве передаточного устройства используется редуктор, а в качестве управляющего используется командоаппарат.

1 Выбор двигателя

1.1 Построение диаграмм скорости и нагрузки производственного механизма

Данные для построения:

n₁=-40 об/мин - частота вращения на 1 рабочей ступени;

t₁=30с - время работы на 1 ступени;

n₂=220 об/мин - частота вращения на 2 ступени;

t₂=40с - время работы на 2 ступени;

t₀=100с - время паузы;

Нагрузка имеет реактивный характер, т.е. меняет свой знак при изменении направления вращения машины;

М_мех.=1500 Нм - момент нагрузки (механизма) на валу двигателя;

з_перед.=0,97 - коэффициент полезного действия передачи;

Ј_мех.=60 кгм² - момент инерции механизма.

Рисунок 1. Диаграмма скорости производственного механизма



Рисунок 2. Нагрузочная диаграмма производственного механизма

1.2 Определение продолжительности включения двигателя

,

где t_Р - время работы, t_Ц - время цикла;

Выбираем стандартное значение продолжительности включения

ПВ_КАТ=60%

1.3 Определение среднеквадратичного значения мощности за время работы на основании тахограммы и нагрузочной диаграммы

,

где m - число рабочих участков в цикле, t_Рi - продолжительность i-того участка работы, щ_Н - номинальная угловая скорость, в_i - коэффициент ухудшения теплоотдачи, щ_Рi - угловая скорость на i-том участке работы.

Определим значения угловых скоростей по ступеням

рад/с,

рад/с;

Определяем мощности на каждой ступени

кВт,

кВт;

Определяем коэффициенты ухудшения теплоотдачи по ступеням по формуле

,

где в₀ - коэффициент ухудшения теплоотдачи при подвижном роторе, принимаемый для двигателей закрытого исполнения без принудительного охлаждения в₀=(0,95-0,98)

Принимаем в₀=0,96

,

;

Среднеквадратичное значение мощности

кВт;

Делаем перерасчёт среднеквадратичной мощности на стандартную продолжительность включения

кВт;

Определяем расчётную мощность двигателя

,

где К_З=(1,1-1,2) - коэффициент запаса

Принимаем К_З=1,15

кВт;

1.4 Выбор двигателя

По полученной расчётной мощности с учётом номинальной скорости выбираем электродвигатель металлургический асинхронный с фазным ротором типа МТМ, 380 В, 50 Гц, ПВ=60%, параметры двигателя представлены в таблице 1

Таблица 1

Тип	РН, кВт	nН, об/мин	ММ/МН	cosцН	cosцХХ
МТМ112-6	38	577	3,0	0,75	0,07
IСН, А	IСХ, А	rС, Ом	xС, Ом	ЕРН, В	IРН, А
90	57	0,119	0,222	172	138
rР, Ом	xР, Ом	Коэффициент трансформации напряжения ke (kr= ke2)	Момент инерции ротора J, кгм2	Масса двигателя Q, кг
0,0255	0,0463	2,085	4,25	860

1.5 Определение передаточного отношения редуктора

,

рад/с,

;

Принимаем значение передаточного числа из стандартного ряда

i_Р=2,5

2. Расчет и построение естественных механических и электромеханических характеристик

2.1 Расчёт и построение естественной механической характеристики s=f(M)

Определим скорости вращения двигателя по ступеням

об/мин,

об/мин,

Определение момента нагрузки на валу двигателя в двигательном и генераторном режимах

Нм- в двигательном режиме

Нм- в генераторном режиме

Определяем приведённые сопротивления

Ом,

Ом,

Ом;

Определяем синхронную скорость

об/мин,

рад/с;

Определяем критический момент двигателя в двигательном режиме

Нм;

Определяем номинальный момент двигателя

Нм;

Определяем наибольший пусковой момент двигателя

Нм;

Определяем момент переключения

Нм;

Определяем критическое скольжение в двигательном режиме

;

Определяем номинальное скольжение

;

Определяем скольжения по ступеням

Рассчитываем естественную механическую характеристику s=f(M)

,

где q=

Задаёмся скольжением от 0 до 1 и строим естественную характеристику s=f(M), результаты сведены в таблице 2

Таблица 2

М, Нм	0	1520	2025	2044	1906	1735	1573	1429	1304	1197	1104
s	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1



Естественная механическая характеристика двигателя s=f(M)

2.2 Расчет электромеханических характеристик s=f(I_Рм) и s=f(I_C)

, ,

где б=(0,110,13), принимаем б=0,12

Результаты сведены в таблице 3

Таблица 3

s	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1
IPм, А	0	169	277	340	379	405	422	435	444	451	457
IC, А	57	197	313	383	426	454	474	487	498	506	512



Естественная электромеханическая характеристика s=f(I_Рм)

Естественная электромеханическая характеристика s=f(I_C)

3. Выбор способов пуска, регулирования и торможения в пределах цикла

Наличие контактных колец у двигателей с фазным ротором позволяет подключить к обмотке ротора пусковой реостат. При этом активное сопротивление цепи ротора увеличивается, и возрастает пусковой момент, пусковой ток уменьшается.

Регулирование скорости двигателя также будем осуществлять изменением активного сопротивления в цепи ротора. Наряду с плавностью регулирования в широких пределах этот способ обеспечивает двигателю улучшение пусковых свойств. Для остановки двигателя используем динамическое торможение.

3.1 Определение добавочного сопротивления для пусковой характеристики

,

,

Так как скольжение при пуске равно 1, получаем

,

В результате решения квадратного уравнения получаем два корня

Принимаем (наибольшее значение из двух корней)

Определяем добавочное сопротивление для пусковой характеристики

3.2 Определение добавочных сопротивлений для регулировочных характеристик

На первой ступени

Принимаем

Определяем добавочное сопротивление на первой ступени

На второй ступени

Принимаем

Определяем добавочное сопротивление на второй ступени

3.3 Расчет механических и электромеханических пусковых и регулировочных характеристик

,

где q=;

,

где q=;

,

где q=;

Построим механические пусковые и регулировочные характеристики по данным таблиц 4 (Рис. 6)

Таблица 4

s	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1
Мст1, Нм	-1279	-1232	-1183	-1133	-1081	-1027	-971	-913	-853	-792	-728
Мст2, Нм	0	728	1279	1655	1887	2012	2063	2064	2035	1987	1928
s	1,2	1,4	1,6	1,8	2
Мст1, Нм	-596	-457	-311	-158	0
Мст2, Нм	1797	1667	1545	1435	1336

Механические характеристики s=f(M)

При S=1

1758 Нм;

Так как пусковой момент на первой рабочей характеристике меньше момента пускового на пусковой характеристике, но больше момента нагрузки на валу двигателя то, можно сделать вывод, что пусковая характеристика не нужна, т.е. двигатель сразу же начнёт работать на первой регулировочной характеристике.

Рассчитываем электромеханические регулировочные характеристики

,

Таблица 5

s	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1
IмРСТ1, А	0	7,64	15,21	22,7	30,13	37,47	44,73	51,91	59	66	72,91
IмРСТ2, А	0	72,91	136,66	190,4	234,76	271,01	300,59	324,81	344,75	361,31	375,17
s	1,2	1,4	1,6	1,8	2
IмРСТ1, А	86,45	99,6	112,36	124,71	136,66
IмРСТ2, А	396,83	412,77	424,86	434,27	441,75

По данным табл. 5 строим электромеханические характеристики S=f(Iр), (Рис. 7)



Электромеханические характеристики s=f(I_Рм)

;

;

Таблица 6

s	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1
IССТ1, А	57	58	59	62	66	71	76	81	87	93	99
IССТ2, А	57	99	163	220	268	307	340	366	388	406	422
s	1,2	1,4	1,6	1,8	2
IССТ1, А	112	125	137	150	163
IССТ2, А	446	463	477	487	495

По данным табл. 6 строим электромеханические характеристики S=f(Iс), (Рис. 8)



Рисунок 8. Электромеханические характеристики s=f(I_С)

Определяем токи ротора на соответствующей ступени по выражению

,

Действительные токи по ступеням

3.4 Определение продолжительностей включения

Сопротивление работает постоянно, а сопротивление только на первой ступени. Сопротивления включены последовательно, следовательно

R_СТ1-R_СТ2=0,63-0,04=0,59 Ом,

Определяем продолжительности включения для ступеней

Определяем расчётные токи, средние за время работы

Определяем каталожный ток для каждой ступени

3.5 Выбор ящика сопротивлений

Выбираем ящик сопротивлений для каждой ступени по наибольшему току, удовлетворяющему условию I_доп>I_{кат.расч.} и зная требуемые значения и R_СТ2 определяем реальные значения требуемых сопротивлений

,

где n - число элементарных элементов ящика

Выбираем ящик сопротивлений с параметрами, приведёнными в таблице 7

Таблица 7

№ ящика	Продолжительный ток (превышение температуры 2700С), А	Сопротивление элемента, Ом	Число элементов в ящике	Сопротивление ящика	Постоянная времени нагрева Т, с
14	128	0,014	20	0,28	555
Тип ящика	Форма элемента	Масса элемента, кг
ЯС-100	НС-400	28,6

Ящик резисторов с чугунными элементами

На первой ступени: R_CТ1=0,6335 Ом

На второй ступени: R_CТ2=0,042 Ом

Делаем пересчёт механических и электромеханических s=f(I_Рм) s=f(I_С) характеристик двигателя для полученных значений сопротивлений

Таблица 8

Мст1, Нм	-1280	-1233	-1185	-1134	-1082	-1028	-972	-914	-854	-792	-729
Мст2, Нм	0	714	1258	1635	1871	2002	2059	2066	2042	1998	1942
s	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1
-597	-457	-311	-159	0
1815	1687	1566	1456	1358
1,2	1,4	1,6	1,8	2

Механические характеристики s=f(M)

Таблица 9

IмРСТ1, А	0	7,65	15,23	22,73	30,16	37,52	44,79	51,97	59,07	66,08	73
IмРСТ2, А	0	71,37	134,01	187,08	231,12	267,3	269,94	321,31	341,44	358,2	372,26
s	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1

Электромеханические характеристики s=f(I_Рм)

Таблица 10

IССТ1, А	57	57,63	59,47	62,37	66,16	70,67	75,74	81,23	87,04	93,08	99,28
IССТ2, А	57	97,8	159,74	215,98	263,6	303,06	335,54	362,3	384,46	402,92	418,43
s	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1

Электромеханические характеристики s=f(I_С)

4. Расчет механической характеристики в режиме динамического торможения

После выполнения двух рабочих циклов двигатель необходимо затормозить до нулевой скорости. Принимаем вид торможения - динамическое. Выполним точный (с учётом кривой намагничивания) расчёт характеристики динамического торможения.

Универсальная кривая намагничивания для асинхронных двигателей с фазным ротором типа МТ и с короткозамкнутым ротором типа МТК представлена в таблице 11

Таблица 11

i0=	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1	1,1	1,2	1,3	1,4
	0,132	0,27	0,4	0,52	0,64	0,75	0,83	0,895	0,96	1	1,03	1,07	1,1	1,12
i0=	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9	2,0
	1,14	1,16	1,19	1,2	1,21	1,22

Рисунок 12. Кривая намагничивания e₀=f(i₀)

4.1 Определение эквивалентного тока статора

,

где I_П - постоянный ток статора при динамическом торможении, величина которого выбирается из условия I_П=(2-3)I_С.ХХ;

0,186 - коэффициент эквивалентности по м.д.с. постоянного тока возбуждения линейному трёхфазному току статора

Принимаем

;

4.2 Определение величины сопротивления намагничивания x₀ для различных значений тока намагничивания i₀

;

Полученные значения запишем в табл. 12

Таблица 12

i0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
x0, Ом	4,79	4,36	4,84	4,72	4,65	4,54	4,31	4,06	3,87	3,63
i0	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9	2,0
x0, Ом	3,4	3,24	3,07	2,91	2,76	2,63	2,54	2,42	2,31	2,22

Величина R_ДТ определяется из соотношения

4.3 Определение значения скольжения s, соответствующие значению тока намагничивания i₀

Значения s, полученные при отрицательном значении подкоренного выражения, отбрасываются и в дальнейших расчётах не участвуют.

Полученные значения заносим в табл. 13

Таблица 13

i0ICXX, А	5,7	11,4	17,1	22,8	28,5	34,2	39,9	45,6	51,3	57
s	5,24	2,13	1,22	0,92	0,73	0,61	0,53	0,48	0,43,	039
i0ICXX, А	62,7	68,4	74,1	79,8	85,5	91,2	96,9
s	0,36	0,31	0,27	0,23	0,17	0,09	0

4.4 Определение приведённого тока ротора I_Рм, соответствующего найденным значениям скольжения



Полученные значения заносим в табл. 14

Таблица 14

s	5,24	2,19	1,22	0,92	0,73	0,61	0,53	0,48	0,43	0,39
IPм, А	89,21	88,45	88,09	86,98	85,59	83,84	81,66	79,07	76,07	72,52
s	0,36	0,31	0,27	0,23	0,17	0,09	0
IPм, А	68,35	63,37	57,26	49,45	38,64	19,78	0

4.5 Расчет механической характеристики двигателя s=f(M) в режиме динамического торможения для соответствующих значений s и I_Pм

Полученные значения заносим в табл. 15

Таблица 15

s	-4,24	-1,19	-0,22	0,08	0,27	0,39	0,47	0,52	0,57	0,61
М, Нм	-74,9	-176,17	-312,6	-406	-495	-571	-616,6	-644,9	-667,6	-665
s	0,64	0,69	0,73	0,77	0,83	0,91	1
М, Нм	-649	-629	-590	-525	-424	-225	0

По данным табл. 15 строим механическую характеристику двигателя М=f(s) для режима динамического торможения (Рис. 13)



Механическая характеристика динамического торможения

5. Расчет переходных процессов N=F(t), M=F(t) за цикл работы

Характер механических переходных процессов определяется решением дифференциального уравнения движения электропривода

.

Суммарный момент инерции J_? определяется по выражению

,

где - коэффициент, учитывающий момент инерции редуктора;

J_ДВ - момент инерции двигателя, кгм²;

J_МЕХ - момент инерции механизма, кгм²;

i_Р - передаточное число редуктора.

Принимаем

;

Строим механические характеристики электродвигателя М_ДВ=f(щ) и производственного механизма М_С=f(щ) (Рис. 14)



Механические характеристики двигателя

Графически находим разность М_ДВ(щ) - М_С(щ)=М_ДИН(щ).

Механическую характеристику заменяем ступенчатой с участками

,

где М_{ДИН.МАКС.i} и М_{ДИН.МИН.i} соответственно максимальное и минимальное значение динамического момента на i участке.

Определяем время переходного процесса, которое требуется для достижения скорости n_i=n_нач.i+Дn_i на каждом участке

;

Полученные на отдельных участках значения времени суммируем для определения полного времени переходного процесса

,

где n - число участков;

По графику электромеханической характеристики I_C=f(щ) определяем значение тока I_C, соответствующее значению скорости каждого участка.

Результаты представляем в виде таблиц 16-19

Таблица 16. Участок А-Б

Дn, об/мин	25	25	25	25
n, об/мин	25	50	75	100
МДВ, Нм	-703,11	-676,94	-650	-618,56
МДИН.СР, Нм	-97,49	-71,47	-54,16	-15,96
Дt, с	0,39	0,54	0,85	2,53
Дt снакоп., с		0,93	1,78	4,31
t, с	4,31
s	0,96	0,92	0,88	0,83
IPм, А	70,24	67,47	64,69	61,19
IC, А	96,79	94,31	91,86	88,83

Таблица 17. Участок В-Г

Дn, об/мин	25	25	25	25
n, об/мин	100	75	50	25
МДВ, Нм	1866,98	1892,43	1917,4	1941,67
МДИН.СР, Нм	1232,31	1261,15	1286,36	1310,98
Дt, с	0,03	0,03	0,03	0,03
Дt снакоп., с		0,06	0,09	0,12
t, с	0,12
s	1,17	1,12	1,08	1,04
IPм, А	386,31	381,92	377,25	372,26
IC, А	433,93	429,1	423,94	418,43

Таблица 18. Участок Г-Д

Дn, об/мин	27,5	27,5	27,5	27,5	27,5	27,5	27,5	27,5	27,5	27,5
n, об/мин	27,5	55	82,5	110	137,5	165	192,5	220	247,5	275
МДВ, Нм	1968	1993	2016	2036	2052	2063	2068	2066	2055	2032
МДИН.СР, Нм	1336	1362	1386	1407	1425	1439	1447	1448	1442	1425
Дt, с	0,032	0,031	0,031	0,03	0,03	0,029	0,029	0,029	0,029	0,03
Дt снакоп., с		0,063	0,094	0,124	0,154	0,183	0,212	0,241	0,27	0,3
t, с	1,131
s	0,954	0,908	0,862	0,816	0,77	0,724	0,678	0,632	0,586	0,54
IPм, А	366	359	352	344	336	326	316	305	293	280
IC, А	412	404	396	388	378	368	357	345	331	317

Таблица 18. Участок Г-Д (продолжение)

Дn, об/мин	27,5	27,5	27,5	27,5	27,5	27,5	27,5	27,5	27,5	27,5
n, об/мин	302,5	330	357,5	385	412,5	440	469,5	495	522,5	550
МДВ, Нм	1997	1945	1875	1782	1664	1517	1338	1123	872	584
МДИН.СР, Нм	1396	1352	1291	1210	1105	972	809	612	379	109
Дt, с	0,03	0,031	0,033	0,035	0,038	0,044	0,052	0,069	0,112	0,387
Дt снакоп., с	0,33	0,361	0,394	0,429	0,467	0,511	0,563	0,632	0,744	1,131
t, с	1,131
s	0,494	0,448	0,402	0,356	0,31	0,264	0,218	0,172	0,126	0,08
IPм, А	265	249	232	213	192	169	144	117	89	58
IC, А	301	283	264	244	221	197	170	143	114	86

Таблица 19. Участок Е-Ж

Дn, об/мин	45,8	45,8	45,8	45,8	45,8	45,8
n, об/мин	550	504	458	413	367	321
МДВ, Нм	-405	-442	-477	-519	-566	-614
МДИН.СР, Нм	-1011	-1042	-1078	-1117	-1161	-1209
Дt, с	0,07	0,068	0,065	0,063	0,061	0,058
Дt снакоп., с		0,138	0,203	0,266	0,327	0,385
t, с	0,852
s	0,08	0,157	0,233	0,31	0,387	0,463

Таблица 19. Участок Е-Ж (продолжение)

Дn, об/мин	45,8	45,8	45,8	45,8	45,8	45,8	45,8
n, об/мин	275	229	183	138	92	46	0
МДВ, Нм	-653	-663	-621	-525	-380	-205	0
МДИН.СР, Нм	-1252	-1277	-1261	-1192	-1071	-911	-721
Дt, с	0,056	0,055	0,056	0,059	0,066	0,077	0,098
Дt снакоп., с	0,441	0,496	0,552	0,611	0,677	0,754	0,852
t, с	0,852
s	0,54	0,617	0,693	0,77	0,847	0,923	1

По данным таблиц 16-19 строим графики переходных процессов М=f(t) и n=f(t) (Рис. 15, 16)

График переходного процесса М=f(t) заданного цикла работы: I - пуск двигателя; II - работа на первой ступени; III - переход на вторую ступень работы; IV - работа на второй ступени; V - динамическое торможение до нулевой скорости.



График переходного процесса n=f(t) заданного цикла работы: I - пуск двигателя; II - работа на первой ступени; III - переход на вторую ступень работы; IV - работа на второй ступени; V - динамическое торможение до нулевой скорости

6. Проверка двигателя по нагреву

Для проверки двигателя по нагреву используем метод эквивалентного тока, согласно которому правильность выбора двигателя определяется условием

;

;

Эквивалентный ток находим по выражению

,

где - определяем через площадь графика I²=f(t),

t_P=70 с - время работы;

t_ПП=76,315 с - время переходного процесса.



График I=f(t): I - пуск двигателя; II - работа на первой ступени; III - переход на вторую ступень работы; IV - работа на второй ступени; V - динамическое торможение до нулевой скорости

Расчёт будем проводить методом трапеций, так как он имеет более высокую точность по сравнению с другими методами

0,83;

I_Н=90 А ? 74,53 А

Условие выполнено, следовательно, двигатель был выбран верно.

Заключение

В данной работе был спроектирован электрический привод производственного механизма с параметрическим регулированием скорости двигателя.

Был выбран асинхронный двигатель с фазным ротором типа МТМ112-6, рассчитаны и построены естественные и регулировочные механические и электромеханические характеристики двигателя, выбран реостатный способ пуска, регулирования скорости и торможения в пределах цикла, рассчитаны и выбраны по каталогу регулировочные и тормозные резисторы, рассчитаны и построены переходные характеристики n=f(t) и М=f(t) за цикл работы, произведена проверка выбранного двигателя на нагрев.

Так как пусковой момент на первой рабочей характеристике меньше пускового момента на пусковой характеристике, но больше момента нагрузки на валу двигателя, то пусковая характеристика не нужна, и двигатель сразу начнёт работать на первой рабочей характеристике.

Список использованных источников

1. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. Изд. 6-е, исправленное. М., «Энергия», 1977.

2. Кацман М.М. Электрические машины: Учебник для сред. спец. учеб. заведений. - М.: Высш. школа, 1983. - 432 с., ил.

Размещено на Allbest.ru

...