Проектирование преобразователя частоты электропривода переменного тока механизма захвата манипулятора для труб

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Механизмы захвта труб- это механизмы, обеспечивающие безопасный подъем и перемещение груза (труб различного диаметра и типа) при производстве погрузочно-разгрузочных работ. Использование конкретного типа механизма обусловлено разновидностью труб, их габаритов и веса. Прочностные характеристики захватов обеспечены изготовлением механизмов из легированной стали.

При необходимости захваты для труб покрываются полиуретаном высокой износоустойчивости, что позволяет избежать повреждений труб и изоляции при их перемещении. Все виды захватов значительно упрощают ведение работ по вертикальному подъему и горизонтальному перемещению труб.

Задачей данного курсового проекта ставится на основании заданных технологических требований спроектировать преобразователь частоты электропривода переменного тока механизма захвата маніпулятора для труб.

Расчет электропривода производится по следующей методике: по технологическому заданию определяются статические моменты сопротивлений и осуществляется предварительный выбор двигателя, исходя из полученной расчетной мощности. Для данного двигателя выбираются: редуктор и преобразователь. После этого расчитываются и строятся точные переходные процессы и нагрузочные диаграммы, по которым производится проверка двигателя и преобразователя в технологическом цикле по производительности, нагреву и перегрузочной способности.

По результатам проверок оценивается соответствие параметров, обеспечиваемых рассчитанным электроприводом, технологическому заданию и производится расчет его энергетических показателей. Уменьшение установленной мощности электропривода в приведенном расчете достигается за счет применения режима ослабления поля двигателя при обратном ходе манипулятора.

1. Задание курсового проекта

Рисунок 1 - Кинематическая схема механизма захвата

1, 5 - захваты; 2 - винтовая передача; 3 - редуктор; 4 - электродвигатель; 6 - труба;

Механизм захвата манипулятора служит для обеспечения подхвата труб, которые транспортируются в пределах участка цеха. Кинематическая схема манипулятора приведена на рисунке 1.

При подхвате включается двигатель и посредством редуктора и винтовой передачи захваты сводятся с установившейся скоростью Vс, приподнимая и зажимая трубу. После перемещения трубы (специальным механизмом) на нужную позицию производится реверсирование механизма, захваты разводятся, обеспечивая опускание трубы. Скорость поступательного движения винта при разведении захватов Vр > Vс.

Исходные параметры и технологические требования к рабочей машине приведены в таблице 1.

Таблица 1-Технические данные механизма захвата манипулятора:

Наименование показателя	Обозначение	Размерность	Величина
Противодействующая сила	Q	кН	20
Средний диаметр нарезки винта	dв	мм	95
Угол подъема нарезки винта	б	град	6,0
Угол трения в нарезке винта	ц	град	5,0
Приведенная маса	m	т	180
Линейная жесткость механизма	Cл	МН/м	50
Длинна выдвижения винта	L	мм	150
Скорость винта при сведения	Vс	мм/с	60
Скорость винта при разведении	Vп	мм/с	100
Допустимое ускорение	aдоп	мм/с2	100
Число циклов в час	Z	-	60
Суммарное время работы, не более	tp	c	10
Коэффициент трения скольжения	мП		0,015...0,02
Момент инерции тормозного шківа	JШ	кгм2	0,4
Линейная жесткость	CЛ	МН/•м	50
Момент инерции продольного вала	JВ	кгм2	5
Масса деталей и узлов опирающихся на подшипники	m1	кг	18

Примечание: Dk=95 мм

D=24мм- диаметр барабана (звездочки), находящегося на выходном валу редуктора и преобразующего вращение в поступательное движение тела

Условия предварительного выбора двигателя

Выбор двигателя для проектируемого электропривода включает в себя несколько составляющих:

выбор конструкции (исполнения) двигателя;

выбор двигателя по скорости;

выбор двигателя по мощности;

При выборе двигателя по конструктивному исполнению необходимо выбрать такой двигатель, который будет подходить по следующим конструктивным особенностям:

способ защиты от окружающей среды (закрытый, защищенный и т.д.);

способ вентиляции (с само вентиляцией, с независимой вентиляцией и т.д.);

наличие или отсутствие встроенного тахогенератора и другие конструктивные особенности;

Необходимо так же учитывать режим работы электропривода и условия эксплуатации оборудования, воздействие климатических факторов и т.д.

Выбор двигателя по скорости заключается в том , что выбранный двиган должен обеспечивать необходимую скорость технологического процесса. При этом не мало важен и способ регулирования скорости двигателя.

Основной скоростью движения электропривода будем считать скорость на естественной характеристике при номинальных напряжении, частоте, потоке двигателя.

Выбор двигателя по мощности производится по критерию нагрева (как правило) с последующей проверкой по перегрузочной способности. Для использования критерия нагрева необходимо знать нагрузки двигателя, которые зависят и от параметров двигателя. Поэтому приходится производить сначала предварительный выбор двигателя, рассчитывать для него нагрузки при заданных условиях работы электропривода, а затем проверять предварительно выбранный двигатель по критериям нагрева, перегрузочной способности.

Предварительный расчет мощности двигателя производится приближенно, поскольку на данном этапе проектирования неизвестна полная нагрузка двигателя. На основе исходных данных могут быть достаточно близко рассчитаны лишь статические нагрузки. Динамические же нагрузки, которые в значительной степени зависят от параметров двигателя, пока еще неизвестны.

Наиболее простой метод предварительного расчета мощности основан на учете лишь статических нагрузок. При этом для эквивалентирования нагрузки участков нагрузочного графика (различающихся как значениями сил сопротивления, так и скоростями движения рабочей машины) используется метод среднеквадратичного момента. Но этот расчет не может дать точного результата и подлежит в дальнейшем проверке.

При задании допустимого ускорения исполнительного органа рабочей машины представляется возможным рассчитать не только статические, но и часть динамических нагрузок, обусловленных изменениями скорости движущихся масс машины. Динамические массы двигателя и редуктора на этом этапе расчета неизвестны.

На базе исходных данных рабочей машины рассчитывают и строят зависимости скорости рабочей машины от времени v(t). Участки различаются значениями статических нагрузок и моментов инерции.

2. Расчет моментов статических сопротивлений и предварительный расчет мощности электродвигателя

1) На основе заданных путей L, установившейся скорости ,и среднего допустимого ускорения aдоп, определяем до с aдоп и время торможения от до остановки:

(2.1)

2) путь пройденный за время пуска (торможения) рабочей машины:

(2.2)

3) время установившегося режима движения со скоростью :

(2.3)

В режиме сведения захватов манипулятора получим:

c;

м;2

= 1,9с.

В режиме разведения захватов манипулятора, мы получим по формулам (2.1), (2.2) и (2.3)

с;

мм;

с.

4) Полное время работы:

а) рабочий ход :

с

б) обратный ход :

с

в)полное время работы:

c

5)Определение статических моментов:

Статические сопротивления движению создаются силами трения скольжения в подшипниках, в винтовой передаче при поступательном движении тела по горизонтальной плоскости.

Моменты инерции рабочего органа:

- при сведении зажимов

 (2.4)

- при разводе зажимов

(2.5)

где m- приведенная масса, кг;

Сосавляющие статических моментов состоят из:

- статического момента при выдвижении винта, преодолевающего силу Q, т.е при свидении захватов,

где(2.6)

dB - средний диаметр нарезки винта, м;

б - угол подъема нарезки винта, рад;

ц - угол трения в нарезке винта, рад;

-статического момента при возвратном движении винта в направлении действия силы Q, т.е, при разведении захватов:

;(2.7)

- статического момента сил трения в подшипниках при свидении и разведении захватов:

;(2.8)

Найдем по формуле (2.6) статический момент при выдвижении винта:

Н м

По формуле (2.7) определим статический момент при возвратном движении винта:

Нм

По формуле (2.8) определим статический момент сил трения при свидении и разведении захватов:

=35,647 Нм

Полный статический момент будет состоять из сумыы момента сил трения в винтовой передаче и момента сил трения в подшипниках. При сведении захватов:

Мс1=Мвпс+Мтр=184,661+35,647=220,308 Нм

При разведении захватов:

Мс2=Мвпр+Мтр=84,81+35,647=120,459 Нм

Для определения динамического момента рабочей машины рассчитывается момент инерции рабочего органа:

Определим динамический момент с учетом величины допустимого ускорения :

Н м (2.9)

7)Полный момент рабочего органа:

; (2.10)

Знак полного момента и его составляющих зависит от направления движения и режима работы.

При сведении захватов полный момент рабочего органа, по формуле (2.11), будет равен:

МРОС=МС+МРОДИН=220,681+213,75=434,058 Н м

При разведении захватов полный момент рабочего органа:

МРОР=МР+МДИН=137,567+213,75=334,209 Н м

Результаты расчетов для каждого участка движения приведены в таблице 2.

По результатам расчетов с учетом времени пуска, торможения, установившегося режима построем нагрузочную диаграмму моментов рабочей машины для каждого режима работы (рис. 3).



Рисунок 3 - Нагрузочная диаграмма MРО(t) v(t) РО

Таблица2. Предварительный расчет нагрузочных диаграмм

	Сведение зажимов	Развод зажимов
Параметр	Пуск	Уст. режим	Торможение	Пуск	Уст. режим	торможение
t, c	0,6	1,9	0,6	1	0,5	1
v, м/с	0	0,06	0	0	-0,1	0
Мрост , Н*м	220,45	220,45	220,45	120,45	120,45	120,45
Мродин , Н*м	213,75	0	213,75	213,75	0	213,75
Мро , Н*м	434,05	220,459	6,709	334,209	137,567	-76,183
Мрс , Н*м	27,539	15,057
Мвс , Н*м	22,712	22,712	21,37	12,418	12,418	11,685
Мс , Н*м	57,526	57,526	13,444	47,223	47,223	13,13
с , рад/с	0	50,526	0	0	84,211	0
Jпр , кг*м2	0,254
J, кг*м2	0,18
Мдин , Н*м	44,954	0	44,954	44,954	0	44,954
Мдоп. уск , Н*м	102,48	57,526	58,398	92,18	47,223	68,084
Мср , Н*м	102,48	57,526	58,398	92,18	47,223	68,084
t, с	0,6	1,9	0,6	1	0,5	1
, рад	15,158	126,316	40,105	12,126	126,316	40,105

На основе построенной нагрузочной диаграммы момента рабочей машины можно рассчитать среднеквадратичное значение момента.

- среднеквадратичное значение момента, в котором учтены статические нагрузки и часть динамических нагрузок:

(2.10)

Здесь МК - момент на k-том участке: k = 1, 2, …, m, где под участком понимается промежуток времени, в течение которого происходит разгон, торможение, работа с постоянной скоростью;

tK - длительность k-того участка.

Среднеквадратичное значение момента по формуле (2.10):

=

=

=243,693 Н м

где Мропс - момент рабочего органа при сведении зажимов во время пуска;

Мроус - момент рабочего органа при сведении зажимов во время установившейся скорости;

Мротс - момент рабочего органа при сведении зажимов во время торможения;

Мропр - момент рабочего органа при разводе зажимов во время пуска;

Мроур - момент рабочего органа при разводе зажимов во время установившейся скорости;

Мротр - момент рабочего органа при разводе зажимов во время торможения;

tпс - время пуска при сведении зажимов;

tус - время установившегося значения скорости при сведении зажимов;

tтс - время торможения при сведении зажимов;

tпр - время пуска при разводе зажимов;

tур - время установившегося значения скорости при разводе зажимов;

tтр - время торможения при разводе зажимов;

При этом мощность двигателя может быть определена по соотношению:

(2.11)

где k1 - коэффициент, учитывающий динамические нагрузки, обусловленные вращающимися элементами электропривода (двигатель, редуктор), а также потерями в редукторе. Примем k1 = 1,4;

ПВФ - фактическое значение относительной продолжительности включения проектируемого электропривода;

ПВК - ближайшее к ПВФ каталожное значение относительной продолжительности включения для электродвигателей выбранной серии;

Фактическое значение относительной продолжительности включения ПВФ рассчитываетя по длительности времени работы tК на всех m участках движения по заданному времени цикла:

с.

где Z - число циклов работы машины в час

тогда :

кВт

3. Выбор электродвигателя

Выбор электродвигателя произведем по каталогу двигателей краново-металлургической серии - они имеют основные особенности:

исполнение, обычно, закрытое;

изоляционные материалы имеют класс нагревостойкости F и H;

момент инерции ротора по возможности минимальный, а номинальные частоты вращения относительно небольшие - для снижения потерь энергии при переходных процессах;

магнитный поток относительно велик - для обеспечения большой перегрузочной способности по моменту;

значение кратковременной перегрузки по моменту для крановых электродвигателей постоянного тока в часовом режиме составляет 2,15 - 5,0 , а для электродвигателей переменного тока - 2,3 - 3,5;

отношение максимально допустимой рабочей частоты вращения к номинальной составляет для электродвигателей постоянного тока 3,5 - 4,9 , для электродвигателей переменного тока 2,5;

для крановых электродвигателей переменного тока за номинальный принят режим с ПВ - режим 80 мин (часовой);

усилены обмотки статора и ротора;

снижены моменты инерции;

увеличена перегрузочная способность двигателей.

Выбираем двигатель так, чтобы значение мощности при ПВкат было равно или несколько больше мощности, которую мы рассчитали в предыдущем пункте. Из асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором выбираем двигатель MTКF112-6, его мощность при ПВ=15% равна 6,5 кВт, что больше рассчитанной.

Таблица 3 - технические данные двигателя MTКF112-6

ПВ,%	15
,кВт	6,5
,об/мин	865
,А	12,5
	0,79
Iп,А	40
,Н•м	16,5
,Н•м	15,5
,кг•м2	0,18

4. Определение передаточного числа редуктора и выбор редуктора

Передаточное число редуктора определим по известной номинальной скорости вращения выбранного электродвигателя и по основной скорости рабочего органа:

(4.1)

где - номинальная скорость вращения двигателя, ;

D - диаметр колеса, преобразующего вращательное движение вала в поступательное, м;

- основная скорость рабочего органа, .

В соответствии с формулой (4.1) имеем:

Редуктор выбирают по справочнику , исходя из требуемого передаточного числа, заданного значения номинальной мощности (или моментов на тихоходном и быстроходном валу) и скорости выбранного двигателя с учетом характера нагрузки (режима работы) РО, для которого проектируется электропривод.

Выбранный редуктор должен иметь передаточное число, равное или несколько меньшее расчетного значения. При передаточном числе, превышающем расчетное значение, скорость на валу рабочего органа не достигнет заданного значения, что приведет к снижению производительности рабочей машины.

Режим работы редуктора в заданном механизме является тяжелым, поэтому принимаем при выборе редуктора коэффициент условий работы k=1.5 для тяжелого режима работы. Тогда расчетная мощность редуктора рассчитывается по формуле (4.2):

Np=k·NM =1,5*2680=5657 Вт, где (4.2)

NM - наибольшая мощность передаваемая рабочей машиной, Вт

NM=Mром· =434,05·8,69=3771

Выбранный редуктор должен иметь по возможности передаточное число, равное или несколько меньшее расчетного значения. Режим работы редуктора для рассматриваемых в данном пособии рабочих машин следует принимать "тяжелый". По справочнику выбираем редуктор типа 1Ц2У-125, с передаточным числом равным 10 и КПД которого составляет 97%.

5. Расчет приведенных статических моментов к валу двигателя

На этапе предварительного расчета мощности электродвигателя по заданным техническим показателям рабочей машины были рассчитаны статические и динамические моменты рабочей машины. После выбора двигателя и редуктора, когда известны передаточное число, КПД редуктора, статические моменты рабочей машины, приведенные к валу двигателя, рассчитываются по формуле:

-при сведении зажимов

=22,031 Нм; (5.1)

-при разводе зажимов

= 12,046 Нм; (5.2)

Статический момент на валу в двигательном режиме:

-при сведении зажимов

=22,712 Нм (5.3)

-при разводе зажимов

=-12,418 Нм (5.4)

В тормозном режиме потери в редукторе вызывают уменьшение нагрузки двигателя, при этом моменты на валу определяют по формуле:

-при сведении зажимов

=21,37Нм (5.5)

-при разводе зажимов

=-11.685 Нм (5.6)

Результаты расчета занесены в таблицу 5 для каждого участка.

Приведенные статические моменты системы "электропривод - рабочая машина" рассчитывают для каждого участка с учетом режима работы электропривода по формуле:

; (5.7)

где - момент потерь холостого хода двигателя, Н•м.

Момент потери холостого хода определяется в номинальном режиме разность электромагнитного момента и момента на валу двигателя:

(5.8)

Статический момент системы "электропривод - рабочая машина" в двигательном режиме при сведении (Мс1) и разведении (Мс2) определим по формуле (5.4):



Статический момент системы "электропривод - рабочая машина" в тормозном режиме при сведении (Мс1) и разведении (Мс2) определим по формуле (5.4):

5.1 Расчет приведенных моментов инерции и коэффицентов жесткости на валу двигателя

Jпр= Jро / J2р

- приведенный к валу двигателя суммарный момент инерции движущихся исполнительных органов рабочей машины и связанных с ними движущихся масс (грузов, заготовки и т.п.).

Приведенный к валу момент инерции

=0.254 кг*м2 (5.2.1)

Суммарный, приведенный к валу двигателя, момент инерции системы может быть рассчитан по соотношению:

-при сведении зажимов

=1,4*0,18+0.254=0.534 кг*м2 (5.2.2)

где JД - момент инерции ротора двигателя;

- коэффициент, учитывающий момент инерции остальных элементов электропривода: муфты, тормозного шкива, редуктора и др. (примем в формуле коэффициент = 1,4)

Для возможности учета влияния упругостей в механизме дана линейная жесткость Сл механизма, отнесенная к поступательно движущемуся исполнительному органу.

Приведенную к валу двигателя жесткость упругой механической связи Спр определяют через значение крутильной жесткости рабочего вала (упругой муфты) по формуле:

0,5 МНм/рад (5.2.3)

Значение установившейся скорости двигателя:

-при сведении зажимов

=50,526 рад/с (5.2.4)

-при разводе зажимов

=84,211 рад/с (5.2.5)

Динамический момент, обеспечивающий возможность разгона и торможения с заданным допустимым ускорением:

-при сведении и разведении зажимов

= 44,954 Нм (5.2.6)

Пусковой момент определяется по формуле:

Мп=Мс+Мдин (5.2.7)

-при сведении зажимов

= 57,526 + 44,954= 102,48 Нм (5.2.8)

-при разводе зажимов

= 47,223+44,954= 92,18 Нм (5.2.9)

Тормозной момент определяется по формуле:

Мт=Мс-Мдин (5.2.10)

-при сведении зажимов

=44,954+13,444= 58,398 Нм (5.2.12)

-при разводе зажимов

=44,954+13,13= 68,084 Нм (5.2.13)

Для приближенного расчета времени переходного процесса оценивают средний момент двигателя Мср:

-при пуске

cведение:

=102,48 Нм (5.2.14)

развод :

= 92,18 Нм (5.2.15)

-при торможении

cведение:

= 58,398 Нм (5.2.16)

развод:

= 68,084 Нм (5.2.17)

6. Предварительная проверка двигателя по нагреву и производительности

Целями предварительной проверки являются:

- изучение приближенных способов оценки времени переходных процессов;

- уточнение нагрузочных диаграмм момента и скорости двигателя с учетом момента инерции предварительно выбранного двигателя;

- снижение затрат времени на выполнение курсового проекта для случая, когда предварительно выбранный двигатель не проходит по нагреву.

Используя выбранные выше значения пусковых и тормозных моментов, скоростей установившихся режимов и возможности выбранной схемы управления двигателем найдем:

1) время переходного процесса

а) сведение зажимов

пуск

=0,6 с (6.1)

торможение

= 0,6 с (6.2)

б) развод зажимов

пуск

= 1 с (6.3)

торможение

= 1 с (6.4)

2) угол поворота вала двигателя за время переходного процесса:

а) сведение зажимов

пуск

= 15,158 град (6.5)

Торможение

= 12,126 град (6.6)

установившаяся скорость

= 126,316 град (6.7)

б) развод зажимов

пуск

= 42,105 град (6.8)

торможение

= 42,105 град (6.9)

установившаяся скорость

= 126,316 град(6.10)

где ПС - угол поворота вала двигателя за время пуска при сведении зажимов; ТС - угол поворота вала двигателя за время торможения при сведении зажимов; ПР - угол поворота вала двигателя за время пуска при разводе зажимов; ТР - угол поворота вала двигателя за время торможения при разводе зажимов; УС - угол поворота вала двигателя с установившимся значением скорости при сведении зажимов; УР - угол поворота вала двигателя с установившимся значением скорости при разводе зажимов;

3) время работы с установившейся скоростью:

а) при сведении зажимов

= 1,9 с (6.11)

б) при разводе зажимов

= 0,5 с (6.12)

Примем, что момент двигателя за время переходного процесса от начального до конечного значения скорости остается постоянным, т.е. не учитываются в процессе пуска по правильной пусковой диаграмме нарастание и снижение момента - при управлении от тиристорного преобразователя.

Проверка двигателя по производительности заключается в сравнении суммарного фактического времени работы электропривода в цикле tф, с заданным значением времени работы tр в исходных данных для проектирования. Задание по производительности должно быть безусловно выполнено, т.е. tф < tр.

=0,6+0,6+1+1+1,9+0,5=5,6

Условие выполняется: tф =5,6 с < tр=10 с

Предварительная проверка двигателя по нагреву осуществляется по величине среднеквадратичного момента:

=

=

= 88,392 Нм (6.13)

=71,758Нм (6.14)

=9,333 (6.15)

= 90,97 Нм (6.16)

Двигатель подходит по условиям нагрева, т. к. М сркв М доп

7. Выбор преобразователя

7.1 Выбор преобразователя частоты

Управление двигателем будем осуществлять неуправляемым преобразователем частоты, то есть двигатель будет питаться не от цеховой сети, а от отдельного индивидуального преобразователя частоты (ПЧ),который допускает работу двигателя при номинальной скорости с преобразователями частоты с автономными инверторами (ПЧИ) осуществляет преобразование напряжения питающей сети в напряжение постоянного тока, а затем в трёхфазное напряжение регулируемой частоты.

Питание может осуществляться как от преобразователя с непосредственной связью (НПЧ), так и от двухзвенного преобразователя с автономными инверторами (ПЧИ).

НПЧ выгодно и целесообразно использовать в системах, у которых диапазон выходных частот находится в пределах 25…12,5 Гц.

При выходных частотах 50Гц и ниже используют преобразователи ПЧИ. Применение автономных инверторов тока целесообразно в приводах с поддержанием момента.

Выбор типа преобразователя зависит от частоты питающей сети, требуемого диапазона изменения частоты на выходе преобразователя, определенного диапазоном изменения скорости вращения двигателя, от мощности двигателя, диапазона изменения нагрузки на валу двигателя, наличия или отсутствия реверса, режимов работы двигателя.

Диапазон изменения частоты преобразователя должен быть не менее требуемого диапазона изменения частоты питания двигателя.

Преобразователь двукратным током нагрузки.

Выбор преобразователя осуществляется по каталогам электротехнической промышленности на основе номинальных данных предварительно выбранного двигателя:

Выбор преобразователя частоты осуществляется, исходя из условия:

где - номинальное линейное напряжение и ток нагрузки преобразователя частоты;

- номинальное линейное напряжение и фазный ток статора двигателя.

Согласно упомянутым требованиям, выбираем преобразователь частоты Triol AT04-007 Технические данные преобразователя Triol AT04-007

Питающая сеть 3х220 В (+10%, -15%),

50 Гц ( ±2%)

Выходное напряжение 3х ( 0…220 В ± 2%)

Выходная частота 0…400 Гц ± 0,05%

Ток перегрузки 1,5IН в течение 60 с

КПД (без двигателя0,95

Коэффициент мощности (сети) 0,95

Полная мощность 10 кВА

Номинальная мощность двигателя 7,5 кВт

Номинальный ток нагрузки IН15 А

Особенности:

- рекуперация электроэнергии в сеть при работе электродвигателя в генераторном режиме;

- электромагнитная совместимость категории С3;

- управление асинхронными и синхронными электродвигателями, электродвигателями с постоянными магнитами;

- векторное управление в разомкнутой системе (минимальная рабочая частота 0,5 Гц);

- векторное управление в замкнутой системе;

- поддержка энкодеров инкрементального и абсолютного типов;

- управление по скорости или моменту;

- перегрузочная способность 150 % номинального значения в течение 60 с, 220 % в течении 2 с;

- поддержка промышленных протоколов обмена Triol, Modbus, CanOpen, Profibus, Ethernet;

- устойчивая работа в условиях перепадов напряжений и сложной электро-магнитной обстановки;

- надежная работа в условиях агрессивных сред.

Электропривод выполнен на основе двухзвенного преобразователя частоты с транзисторным (IGBT) автономным инвертором напряжения (АИН) с широтно-импульсным (ШИМ) управлением и многофункциональной микропроцессорной системой управления с развитым интерфейсом.

7.2 Выбор автоматического выключателя QF

Производим по максимально возможной перегрузке преобразователя (1,5• Iн в течение 60 с - 22,5 А). Технические данные выбранного автоматического выключателя приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1 - Технические данные автоматического выключателя

Тип выключателя	Iн, А	Uн,В	Фирма - производитель
А0257 С60N 24352	25	220	Schneider Electric

7.3 Выбор сетевого коммутационного дросселя L1

Cетевой коммутационный дроссель L1 снижает гармоники тока, которые вырабатывает в преобразователе блок выпрямления.

Выбор сетевого дросселя L1 типа ED3N производим в зависимости от мощности двигателя. Технические данные сетевого коммутационного дросселя приведены в таблице 7.2

Таблица 7.2 - Технические данные сетевого коммутационного дросселя

Номинальная мощность двигателя, кВт	Тип дросселя (индуктивность мГн/ ток А)
7,5	ED3N-1,3/17

7.4 Выбор выходных моторных дросселей L2

- подавление высокочастотных гармоник в токе двигателя. Формирование синусоидального тока в обмотках двигателя осуществляется ПЧ с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения по синусоидальному закону. При низких частотах ШИМ высокочастотные пульсации моторного тока могут достигать до 5-10%. Высокочастотные гармоники тока вызывают дополнительный нагрев двигателя.

- ограничение амплитуды тока короткого замыкания. При внезапном коротком замыкании на выходе ПЧ ток короткого замыкания увеличивается не внезапно, так как в контуре тока к.з. есть индуктивности (L моторного дросселя + паразитные индуктивности моторного кабеля). При достижении током к.з. порога срабатывания защиты ПЧ двигатель обесточивается. Так как время срабатывания защиты отлично от нуля, то максимальное значение тока к.з. при использовании моторного дросселя реально намного меньше максимального значения тока без дросселя. Без моторного дросселя многие ПЧ не способны защитить транзисторы ПЧ от одного или нескольких внезапных К.З на выходе ПЧ.

- снижают скорость нарастания аварийных токов короткого замыкания и за- держивают момент достижения максимума тока короткого замыкания, тем самым обеспечивают необходимое время для срабатывания цепей электронной защиты ПЧ;

- компенсируют емкостные токи длинных моторных кабелей, то есть не дают развиваться большим емкостным токам и соответственно препятствуют ложным срабатываниям защиты ПЧ от сверхтоков;

- снижают выбросы напряжения на обмотках двигателя. При питании асинхронного двигателя от преобразователя частоты к обмоткам двигателя прикладывается импульсное напряжение со значительными пиками перенапряжений, суммарная величина которых превышает амплитуду номинального напряжения питания асинхронного двигателя. Это может вызвать пробой изоляции обмоток двигателя, особенно при его длительной эксплуатации, когда изоляция обмоточных проводов и обмоток теряет свои первоначальные изоляционные свойства. Выходные моторные дроссели компенсируют емкостные токи в длинных кабелях, и совместно с емкостью кабеля ограничивают производную напряжения на обмотке статора на уровне du/dt 500 В/мкс. Выбор моторного дросселя L2 типа ED3S в зависимости от мощности двигателя

Технические данные моторного дросселя приведены в таблице 7.3.

Таблица 7.3 - Технические данные выходного моторного дросселя L2

Номинальная мощность двигателя, кВт	Тип дросселя (индуктивность мГн/ ток А)
7,5	ED3S-3,8/16

7.5 Выбор радиочастотного фильтра (РЧ)

Радиочастотные фильтры Z1, Z2 используются для снижения уровня радиочастотных помех, излучаемых преобразователем в питающую сеть. Для выполнения требований стандарта электромагнитной совместимости, описанных в европейских директивах ЕМС, для преобразователей частоты разработаны специальные фильтры. Однако для полного удовлетворения требований ЕМС установка данных фильтров должна сопровождаться соответствующим пра- вильным монтажом и подключением преобразователя частоты. При использова- нии внешнего РЧ фильтра класса В совместно с преобразователем достигается снижение помех до уровня, соответствующего категории непроизводственных помещений. Для обеспечения правильного и надежного функционирования необходимо при выборе защитных устройств учитывать токи утечки и обеспечить надежное заземление фильтра. Рекомендации по выбору (размеры РЧ) фильтров для конкретных моделей ПЧ даны в руководствах по эксплуатации на преобразователи. Выбор радиочастотных фильтров Z1, Z2 в зависимости от мощности двигателя

Технические данные радиочастотного фильтра РЧ приведены в таблице 7.4.

Таблица 7.4 - Технические данные радиочастотного фильтра

Номинальная мощность двигателя, кНм	Тип дросселя
7,5	VFD075M43A

7.6 Выбор блоков тормозных резисторов ПЧ-АД

При переводе двигателя в генераторный режим энергия возвращается в звено постоянного тока преобразователя через обратные диоды транзисторного инвертора, заряжая конденсаторы силового фильтра до напряжения, запирающего диоды силового выпрямителя. Преобразователь пытается уменьшить напряжение, увеличивая выходную частоту, тем самым, уменьшая скольжение двигателя. Интенсивность замедления (торможения) в этом случае зависит от потерь мощности в преобразователе и двигателе.

Если требуется произвести быстрое торможение, необходимо использовать тормозной прерыватель и резистор.

При включении тормозного ключа тормозной резистор разряжает конденсаторы фильтра и рассеивает избыточную энергию торможения. Блоки торможения используются при редких и кратковременных торможениях механизма, например при аварийном торможении. Поскольку выбранный преобразователь мощностью более 15 кВт требуются внешний тормозной модуль и тормозные резисторы. Выбор тормозных модулей и тормозных резисторов по рекомендации производителя производится в зависимости от мощности двигателя.

Технические данные тормозного модуля и тормозного резистора приведены в таблице 7.5.

Таблица 7.5 - Технические данные тормозного модуля и тормозного резистора

Pдв, кВт	Параметры тормозных резисторов	Тип тормозных модулей	Перегрузка
	тип	Р, R	тип	%
7,5	BR1K0W075	1000Вт 75Ом	встроен в ПЧ	125

8. Расчет статических характеристик электропривода

Задачей расчёта является обеспечение технологических задач заложенных в требования к электроприводу:

- рабочие скорости рабочего и обратного хода должны быть обеспечены с заданной степенью точности;

- ускорение электропривода не должно превышать допустимых значений.

Исходными данными для расчёта статических характеристик являются каталожные данные электродвигателя и другого оборудования, установленного в его силовой цепи.

Найдем базовые величины параметров двигателя:

Номинальное фазное напряжение U1Н=220 В;

Номинальная частота f1Н=50 Гц;

Номинальный ток статора I1Н=12,5 А;

Синхронная скорость вращения щ0Н:

Номинальный момент на валу МН:

Нм

Рассчитаем частоту f1 и напряжение на статоре U1, при которых механические характеристики будут проходить через точки установившегося режима.

Заданные точки в о.е.:



Приращение скорости в о.е.:

Значения частоты и напряжения в заданной точке:

Также рассчитаем значения частоты и напряжения в заданных точках без груза. Занесем данные в таблицу 8.1.

Таблица 8.1.

Участок движения	Сведение зажимов	Разведение зажимов
Расчетные данные	Обозна-чение	Установившийся режим	Установившийся режим
		рад/с	о.е.	Нм	рад/с	о.е.	Нм
Скорость двигателя	щс	50	0,55	---	84	0,94	---
Статичес-кий момент	МС	---	0,31	22,03	---	0,17	12,04

Двигательный режим при движении без заготовки

Заданные точки приведены в таблице 8.1. Для предварительного расчета частоты выполним параллельный перенос естественной механической характеристики в заданную точку:

щ0 = щЗАД + ДщЕСТ = щЗАД + sН ·МЗАД.

Рассчитаем заданную точку:

щ0 = -0,94 - 0,14·0,48 = -1,01

Относительное значение частоты равно:

б= щ0 = -1,01

Частота напряжения в заданной точке:

f1ЗАД = б· f1Н = - 1,01·50 = - 50,5 Гц.

U1ЗАД = -1,01·220 =-222,2 В.

Искусственные механические и электромеханические характеристики строим, используя программу haradkz, внеся туда номинальные данные двигателя и параметры обмоток.

Рисунок 5-Механические характеристики двигателя.

9. Расчет параметров схем пуска и торможения

9.1 Пуск и торможение в системе преобразователь - двигатель

В установившемся режиме нарастания скорости двигателя, когда затухают свободные составляющие переходного процесса:

.(8.1)

Величина установившегося значения динамического момента двигателя:

.(8.2)

Для формирования линейного закона изменения напряжения управления на вход преобразователя подключают интегральный (И) задатчик интенсивности (ЗИ), выходное напряжение которого при подаче на его вход скачка задающего напряжения изменяется по линейному закону. При достижении величины нарастание напряжения на выходе ЗИ прекращается. Выходное напряжение ЗИ является управляющим напряжением преобразователя, а величина определяет установившуюся величину скорости двигателя.

Темп нарастания скорости определяется величиной базовой постоянной времени ЗИ :

(8.3)

,(8.4)

где - механическая постоянная времени, с;

- относительное значение динамического момента двигателя.

Определим механическую постоянную времени по формуле (8.4).

При сведении и разведении захватов:

с.

Определим постоянную времени ЗИ по формуле (8.4).

При сведении и разведении захватов:

с.

В системе ПЧ-АД начальная пусковая характеристика определяется минимальной частотой преобразователя, а величина пускового момента существенно снижена из-за значительного влияния активного сопротивления статорной цепи двигателя.

10. Расчет переходных поцессов электропривода

Расчет переходных режимов необходим:

- для определения времени и характера их протекания;

- для оценки их соответствия требованиям технологического процесса рабочего органа;

- для оценки механических и электрических перегрузок;

- для правильного выбора мощности двигателей, преобразователей и аппаратуры управления.

В данном курсовом проекте расчет переходных процессов будем вести путем интегрирования уравнений.

Для этого будет использована программа расчета переходных процессов на ЭВМ zipchad.

В начале расчета необходимо определить начальные условия, а именно постоянную времени задатчика интенсивности , напряжение форсировки, начальную скорость идеального холостого хода , конечную скорость идеального холостого хода и начальную скорость вала двигателя , которые приведены в пункте 8.

В программу zipchad вносим каталожные данные двигателя обмоточные данные двигателя, преобразователя частоты, расчетные данные рабочего органа, тип выпрямителя преобразователя частоты, постоянную времени задатчика интенсивности.

Графики переходных процессов и динамические характеристики при сведении и разведении зажимов предвставлены на рисунках 10.1 - 10.4.



Рисунок 10.1. Переходный процесс при сведении зажимов

Рисунок 10.2. Динамические механические характеристики при сведении зажимов

Рисунок 10.3. Переходный процесс при разведении зажимов



Рисунок 10.4. Динамические механические характеристики при разведении зажимов

11. Интегральные показатели

11.1 Проверка на перегрузочную способность

По нагрузочным диаграммам необходимо посмотреть максимальные значения тока и момента двигателя при сведение и разведении и сравнить эти значения с допустимыми значениями тока и момента для выбранного двигателя и преобразователя частоты.

Максимальный момент двигателя MTКF112-6 (см. рисунок 10.1, 10.3)

Ммакс=1,8•МН < 2,74•Mн=0,8• Mk=0,8•165=132Нм, что допускает возникающие перегрузки.

Максимальный ток статора I1макс=1,5•I1н =1,5•12,5=18,75 А в течение 0,3 с (см. рисунок 10.1) при времени цикла tц=60 с.

Проверка на перегрузочную способность преобразователя частоты Triol AT04-007:

- в течение 1 мин I макс пр = 1,5·Iнпр = 1,5•15=22,5А;

. Максимальный ток двигателя не превышает максимально допустимый ток, который указан в паспорте преобразователя. Преобразователь проходит по пе-регрузочной способности.

11.2 Угол поворота вала двигателя и проверка на заданную производительность

Угол поворота вала двигателя определяется по формуле:

.(11.1)

Он показан на рисунках 10.1 и 10.3 в виде интегрального показателя al для каждого участка расчета (бП - за время пуска tk, бТ - за время торможения tt). Значения углов поворота на участках движения сведены в таблицу 11.1.

Таблица 11.1 - Значения углов поворота вала двигателя

Угол поворота вала	Сведение	Разведение
бУ, рад	126,316	126,316
бП, рад	15,158	12,126
бТ, рад	7,46	17,93

Определим угловой путь, пройденный двигателем на участке движения с установившейся скоростью:

Время работы установившегося режима:

(11.2)

где щс - скорость вращения двигателя в установившемся режиме, соответствующая статическому моменту на участке движения.

При сведении зажимов:

При разведении зажимов:

Фактическое время работы электропривода в цикле:

Значения времени переходных процессов пуска и торможения взяты из рисунков 10.1 и 10.3.

Проверка на заданную производительность производится через сравнение рассчитанного времени работы электропривода tРФАКТ в цикле с временем

tР =10 с, заданным в техническом задании на проектирование:

.

Из полученных результатов делаем вывод, что электропривод прошел проверку на заданную производительность (4,56 < 10 с).

11.3 Проверка двигателя, преобразователя, резисторов по нагреву

11.3.1 Проверка двигателя по нагреву

Проверка выбранного двигателя по нагреву выполнена в нашем случае методом эквивалентного тока.

Эквивалентный ток рассчитывается по следующей формуле:

(11.3)

где Ii - среднеквадратичное значение тока на i-ом участке;

ti - длительность i-го участка работы;

i - коэффициент ухудшения теплоотдачи двигателя;

Iдоп - допустимый по нагреву ток.

Ухудшение условий охлаждения двигателя в переходных режимах учитывают коэффициентом ухудшения теплоотдачи, который в зависимости от скорости принимает значения:

при ;

при ;

при ,

где =0,5 для закрытых двигателей с самовентиляцией.

Тогда эквивалентный ток определяем по формуле (11.3):

А.

Допустимый по нагреву ток двигателя рассчитывают через каталожный ток IКАТ при каталожной ПВКАТ наиболее близкой к фактической:

.(11.4)

Из пункта 2 ПВФАКТ = 9,3% , ПВКАТ наиболее близкая к фактической равна 15, тогда допустимый по нагреву ток двигателя:

Получаем IЭ = 0,67· IДОП, следовательно, выбранный двигатель проходит проверку по нагреву.

11.3.2 Проверка преобразователя по нагреву

Проверка преобразователя по нагреву выполняется путем сравнения среднеквадратичного тока двигателя за время работы с номинальным выходным током преобразователя.

Среднеквадратичный ток двигателя:

(11.5)

А

Номинальный ток преобразователя IНПР = 15 А, из чего делаем вывод, что преобразователь проходит проверку по нагреву.

11.3.3 Выбор резисторов и проверка их по нагреву

Избыточная энергия, которая идет на нагрев резисторов:

dPd = |Pd| - dPp.(11.6)

Среднеквадратичный ток резистора за одно торможение:

(11.7)

где RТ = 75 Ом- сопротивление тормозного резистора.

А значения интегральных параметров Pd, dPp, взяты из рисунков 10.1 и 10.3

Торможение при сведении зажимов:

Торможение при разведении зажимов:

Среднеквадратичный ток Iр за время работы резисторов:

(11.8)

Относительная продолжительность включения резисторов за время цикла tЦ:

е = tР / tЦ,(11.9)

где tР = 10 c - время работы резисторов;

tЦ = 60 c - время цикла.

е = 10 /60 = 0,17.

Эквивалентный по нагреву ток резисторов IЭП:

(11.10)

Проверка по нагреву выполняется сравнением эквивалентного по нагреву ток резисторов IЭ.П с продолжительным током резистора:

IПР ? IЭП.

Продолжительный ток резистора рассчитаем, воспользовавшись параметрами тормозных резисторов из пункта 7 по формуле:

(11.11)

где РТ - мощность тормозного резистора;

RТ - сопротивление тормозного резистора.

Тогда расчет произведем по формуле (11.11):

Из полученных результатов, IПР ? IЭП, следовательно, выбранный резистор проходит по нагреву

электродвигатель манипулятор преобразователь редуктор

12. Функциональная схема электропривода

Принципиальная схема электропривода включает в себя главные (силовые) цепи, цепи управления, защиты, сигнализации.

Электрические аппараты силовой цепи, осуществляющие управление электроприводом, были выбраны в пункте 7.

В электроприводе реализовано частотное управление асинхронным электродвигателем, заключающееся во взаимосвязанном регулировании частоты f и питающего напряжения U основной гармоники при помощи автономного инвертора напряжения (АИН) с широтно-импульсным (ШИМ) управлением и многофункциональной микропроцессорной системой управления с развитым интерфейсом. Алгоритм ШИМ обеспечивает взаимосвязанное регулирование частоты f и величины U выходного напряжения по заданному закону, а также формирует синусоидальную форму кривой тока приводного АД. Функциональная схема цепей управления преобразователя частоты, так же как и схема силовых цепей представлена на рисунке 12.1.

Подключение преобразователя к сети осуществляется автоматическим выключателем QF. Сетевой контактор КМ1 во входной цепи ПЧ обеспечивает функцию аварийного останова электропривода и может использоваться для безопасного его отключения. Сетевой коммутационный дроссель L1 снижает гармоники тока, которые вырабатывает в преобразователе блок выпрямления/рекуперации. Радиочастотные фильтры РЧ Z1, Z2 используются для снижения уровня радиочастотных помех, излучаемых преобразователем в питающую сеть.

Выходные моторные дроссели L2 устанавливаются на выходе ПЧ и обеспечивают:

- подавление высокочастотных гармоник в токе двигателя;

- ограничение амплитуды тока короткого замыкания;

- снижают скорость нарастания аварийных токов;

- компенсируют емкостные токи длинных моторных кабелей;

- снижают выбросы напряжения на обмотках двигателя.

Рисунок 12.1 - Схема силовых цепей и функциональная схема электропривода

Заключение

Электропривод, который был нами спроектирован, обеспечивает требуемую со стороны рабочего органа скорость: необходимая (заданная) и рассчитанная скорость рабочего органа совпадают. Но необходимо отметить, что, в отличие от нагрузочных диаграмм рабочего органа, на нагрузочных диаграммах электропривода участки характеристики щ(t) при пуске непрямолинейны, т.е. на данном участке непостоянное ускорение.

Проанализируем результаты работы системы в статических и динамических режимах. При переходных режимах вырабатываемый электроприводом максимальный момент равен 1,8 • МН = 126 Нм, что не превышает максимального (критического) момента двигателя, равного 165 Нм. Максимальный ток двигателя не превышает максимально допустимый ток, который указан в паспорте преобразователя (1,5• IН в течение 60 с - 22,5 А). Таким образом, спроектированный электропривод проходит проверку по перегрузочной способности.

В курсовом проекте была произведена проверка на заданную производительность, по результатам которой электропривод прошел проверку на заданную производительность (5,6 с < 10 с).

В результате проверки по нагреву выяснилось, что двигатель, преобразователь, тормозной резистор проходят по нагреву. Двигатель недогружен в допустимых пределах (IЭ = 0,67· IДОП).

Библиографический список

1.http://www.russprivod.ru/Цилиндрический+двухступенчатый+редуктор/1Ц2У-100+Ц2У-100/Редуктор+Ц2У-100.html

2. Двигатели асинхронные трёхфазные краново-металлургической серии MTF,MTKF, MTH< MTKH: НК 01.30.01 - 82. Электротехника СССР. - М.:Информэлектро, 1985. - 44с.

3. Гельман, М.В. Преобразовательная техника: учебное пособие / М.В. Гельман, М.М. Дудкин, К.А. Преображенский. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. - 425 с.

5. Драчев, Г.И. Теория электропривода: учебное пособие в 2 ч. / Г.И. Драчев. - Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2005. - Ч.1. - 207 с; Ч.2. - 203 с.

6. Драчев, Г.И. Теория электропривода: учебное пособие к курсовому и дипломному проектированию. - Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2012. - 168 с.

7. Стандарт предприятия: курсовые и дипломные проекты. Общие требования к содержанию и оформлению. СТО ЮУрГУ 04 - 2008. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2008. - 56 с.

Размещено на Allbest.ru