Кинематический расчет электропривода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В современной промышленности для повышения производительности труда повсеместно используются электроприводы различных механизмов.

Именно он является основным потребителем электрической энергии и главным источником механической энергии в промышленности.

Отличительной чертой электропривода является возможность изготовления приводов под самые различные требования промышленности, под различную требуемую мощность и скорость, возможность реализовать разнообразные виды движения исполнительных органов с относительно малыми потерями и относительно большой надежностью.

двигатель мощность редуктор преобразователь



1. Исходные данные

Рис.1. Кинематическая схема подъемника.

Подъемник производит подъем груза и опускание тележки с грузом и без груза. Для привода подъемника используются два двигателя. При выходе из строя одного из двигателей другой должен обеспечить кратковременную работу подъемника.

Перед остановкой привод подъемника должен быть переведен на пониженную скорость порядка 10 - 15% от номинальной, обеспечивающую точный останов.

Кинематическая схема подъемника приведена на рисунке1.

Технические данные - в таблице1.

Таблица1.Технические данные механизма подъемника.

Обозначение	Наименование показателя	Размерность	Величина
m	Масса тележки	т	1,2
mГ	Масса груза	т	0,9
h	Высота подъема	м	16
Dб	Диаметр барабана	м	0,62
vп	Скорость подъема	м/с	0,62
vО	Скорость спуска	м/с	0,62г
JРТ	Момент инерции роликов и троса	кгм2	22
JБК	Момент инерции барабана с червячным колесом	кгм2	260
JЧМ	Момент инерции червяка и муфт	кгм2	0,2

Принять:

d_сб= d_ср =0,15 м - диаметр ступицы барабана и ролика;

м_п=0,05 - коэффициент трения в подшипниках;

a_доп =0,2 м/с² - допустимое ускорение рабочего органа;

з_п=0,7 - кпд червячной пары;

z = 50 1/ч - включений в час;



2. Расчет мощности двигателя

2.1 Нагрузочные диаграммы скорости

По исходным данным рабочей машины рассчитываем и строим зависимость скорости рабочей машины от времени v(t).

Время пуска до установившейся скорости с допустимым ускорением, торможения от установившейся скорости до остановки:

, (2.1)

где - заданная скорость движения, м/с;

а - допустимое ускорение, м/с².

В соответствии с формулой (2.1) при движении вверх:

t_п1=t_m1==3,1 с.

При торможении до пониженной скорости при движении вверх(пониженная скорость равна 10% от номинальной скорости):

t_т1.1 ==2,79 с.

При торможении с пониженной скорости при движении вверх:

t_т1.2 ==0,31 с.

При движении вниз времена совпадают с временами при движении вверх, так как перемещаемая масса и установившиеся скорости одинаковы:

t_п2=t_m2=t_п1=t_m1=3,1 с.

При торможении до пониженной скорости при движении вниз:

t_т2.1 = t_т1.1 =2,79 с.

При торможении с пониженной скорости при движении вниз:

t_т2.2 = t_т1.2 =0,31 с.

Путь, проходимый рабочей машиной за время пуска и торможения:

(2.2)

В соответствии с формулой (2.2) при движении вверх:

L_п1=L_m1===0,961 м.

При движении вниз:

L_п2=L_m2= L_п1=L_m1=0,961 м.

При торможении до пониженной скорости при движении вверх:

L_т1.1 ===0,77841 м.

При торможении с пониженной скорости при движении вверх:

L_т1.2===0,00961 м.

При торможении до пониженной скорости при движении вниз:

L_т2.1= L_т1.1 =0,77841 м.

При торможении с пониженной скорости при движении вниз:

L_т2.2= L_т1.2=0,00961 м.

Время установившегося режима движения со скоростью v_y= v_п= v_о:

(2.3)

где L -пройденный путь, м.

В соответствии с формулой (2.3) для движения вверх:

t_y1===22,71 c.

Для движения вниз:

t_y2= t_y1=22,71 c.

Для движения вверх при пониженной скорости:

==2,79 c.

Для движения вниз при пониженной скорости:

= =2,79 c.

Найдём время работы:

t_р=2•(t_п1+ t_у1+ t_т11+ t_т3.1 + t_т12)=2•(3,1+ 22,71+ 2,79+ 2,79+0,31)= =64,4с.

2.2 Нагрузочные диаграммы моментов

Передвигаемая масса при движении тележки с грузом, кг:

m= m_Г+m_Т=900+1200=2100 кг.

Момент сил трения в подшипниках барабана:

, (2.4)

где - масса деталей и узлов, опирающихся на подшипники, кг;

- диаметр шейки вала или оси, м;

- коэффициент трения скольжения в подшипниках;

- ускорение силы тяжести.

В соответствии с формулой (2.4) момент сил трения в подшипниках барабана:

При движении тележки с грузом:

==77,254 Нм.

Момент силы тяжести:

, (2.5)

где m - масса поднимаемого или опускаемого груза, кг;

D - диаметр шкива, м.

В соответствии с формулой (2.5) момент силы тяжести:

При движении тележки вверх:

M_ст1==6386,31 Нм.

При движении тележки вниз:

M_ст2= -M_ст1=-6386,31 Нм.

По заданию курсового проекта необходимо обеспечить движение тележки вверх и вниз с грузом.

Суммарный статический момент рабочего органа:

При движении тележки вперед:

M_рост1=M_ст1+М_тп=6386,31+77,254=6463,564 Нм.

При движении тележки назад:

M_рост2= M_ст2+М_тп =-6386,31+77,254=-6309,056 Нм.

Определим момент инерции рабочего органа по формуле (2.6):

C грузом:

(2.6)

J_po=J_РТ+ J_СК+ J_ЧМ+m•=22+260+0,2+2100•484,01 кг•м².



При заданной величине допустимого ускорения определим динамические моменты тележки.

M_родин=J_po•=484,01••=312,265 Нм;

Полный момент рабочей машины найдём по формуле (2.7):

. (2.7)

Первый участок - разгон тележки с грузом:

М_po1=M_рост1+М_родин=6463,564+312,265=6775,892 Нм;

Второй участок - равномерное движение тележки с грузом:

М_ро2=М_рост1=6463,564 Нм;

Третий участок - торможение тележки с грузом до пониженной скорости:

М_ро3=М_рост1-М_родин=6463,564-312,265=6151,299 Нм;

Четвертый участок - равномерное движение тележки с грузом на пониженной скорости:

М_ро4= М_рост1=6463,564 Нм;

Пятый участок - торможение тележки с грузом до остановки:



М_ро5= М_рост1-М_родин=6463,564-312,265=6151,299 Нм;

Шестой участок - время паузы:

М_ро6= 0 Нм;

Седьмой участок - разгон тележки с грузом:

М_ро7= M_рост2-М_родин=-6309,056-312,265=-6621,321 Нм;

Восьмой участок - равномерное движение тележки с грузом:

М_ро8= М_рост2=-6309,056 Нм;

Девятый участок - торможение тележки с грузом до пониженной скорости:

М_ро9= М_рост2+М_родин=-6309,056+312,265=-5996,791 Нм;

Десятый участок - равномерное движение тележки с грузом на пониженной скорости:

М_ро10=М_рост2=-6309,056Нм;

Одиннадцатый участок - торможение тележки с грузом до остановки:

М_ро11= М_рост2+М_родин=-6309,056+312,265=-5996,791 Нм



3. Предварительный расчет мощности и выбор электродвигателя

На основании построенной нагрузочной диаграммы момента рабочей машины можно рассчитать.

По рассчитанным значениям моментов на каждом участке можно найти среднеквадратичное значение момента:

, (2.8)

где - момент на K-м участке, Нм;

- длительность K-го участка, с.

Нм

Время цикла:

, (2.9)

где z= 50 число циклов работы машины в час.

72 c.

- фактическое значение относительной продолжительности включения проектируемого привода;

; (2.10)

В соответствии с формулой (2.10):

=88,05 %.

- ближайшее к каталожное значение относительной продолжительности включения для электродвигателей выбранной серии. Для двигателей краново-металлургической серии ряд ПВ: 15, 25, 40, 60, 100%. Выбираем ближайшее ПВ, то есть ПВ_кат=100.

Тогда мощность двигателя определяется по формуле:

Р_дв=•M_сркв•=1,5•6399•=17897,5 Вт (2.11)

где ; k₁ - коэффициент, учитывающий динамические нагрузки, обусловленные вращающимися элементами электропривода (двигатель, редуктор), а также потери мощности в редукторе, примем k₁=1.5

D_б - диаметр барабана, м;

v_y- основная скорость движения, м/с;

По справочнику выбираем двигатель постоянного тока (быстроходный, последовательного возбуждения) типа Д32 18 кВт для режима ПВ=100%.Каталожные данные двигателя представлены в таблице 3.

Таблица3 - Каталожные данные двигателя.

Обозначение	Наименование показателя	Размерность	Величина
	Мощность на валу номинальная при ПВ=100%	кВт	18
	Частота вращения номинальная	об/мин	965
	Номинальный ток якоря	А	98
	Номинальное напряжение якоря	В	220



4. Определение передаточного числа 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;

v_y - основная скорость рабочего органа.

В таблице 3 задана номинальная частота вращения двигателя в об/мин, скорость вращения двигателя в рад/с определяется по формуле:

Находим передаточное число редуктора по формуле (4.1)

Выберем редуктор, исходя из того, что передаточное число должно быть равным или несколько меньшим рассчитанного, при этом должны быть учтены условия работы механизма, номинальная мощность и скорость двигателя.

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):

(4.2)

где - наибольшая мощность, передаваемая рабочей машиной, Вт.

13511,66 Вт. (4.3)

Тогда расчетная мощность редуктора находится по формуле (4.2)

20267,49 Вт

Выбираем цилиндрический двухступенчатый редуктор Ц2У-315Н, данные которого приведены в таблице 4.

Таблица4 - Характеристики редуктора Ц2У-315Н.

Наименование технических характеристик	Размерность	Значение
Передаточное число,		50
Номинальный крутящий момент на тихоходном валу	Нм	7500
КПД, зр		0,98



5. Приведение статических моментов инерции к валу двигателя

После выбора электродвигателя и редуктора, а также после расчета моментов сопротивления можно привести статические моменты системы к валу двигателя, воспользовавшись формулой (5.1):

(5.1)

где - статический момент рабочей машины, Нм;

- передаточное отношение выбранного редуктора.

При движении с грузом вверх:

129,3 Нм.

При движении с грузом вниз:

-126,18 Нм.

Тогда статический момент на валу двигателя в тормозном режиме:

С грузом вверх:

126,714 Нм. (5.2)

С грузом вниз:

123,656 ЬНм.

где - коэффициент полезного действия выбранного редуктора.

В двигательным режимах момент рассчитывается по формуле:

С грузом вверх:

=131,939 Нм. (5.3)

С грузом вниз:

=-128,755 Нм.

Это связано с тем, что энергия поступает с вала двигателя и за вычетом потерь в передаче поступает на двигатель.

Приведенные статические моменты системы электропривод - рабочая машина рассчитывают для каждого участка с учетом режима работы привода:

, (5.4)

где - момент потерь холостого хода двигателя, Нм.

Принимаем равным 5% от номинального:

97,974 Нм. (5.5)

Двигательный режим:

С грузом вверх:

224,688 Нм.

С грузом вниз:

221,63 Нм.

Тормозной режим:

С грузом вверх:

229,913 Нм.

С грузом вниз:

226,729 Нм.

Результаты расчета занесены в таблицу 5 для каждого участка.

Необходимо привести моменты инерции всей системы к валу двигателя для того, чтобы заменить систему на эквивалентную.

Суммарный приведенный момент инерции:

(5.6)

где - приведенный к валу двигателя момент инерции поступательно и вращательно движущихся частей системы, кг•м²;

- момент инерции ротора выбранного двигателя, кг•м²;

- коэффициент, учитывающий момент инерции остальных моментов электропривода: тормозного шкива, муфт, редуктора, и т.д. (примем ).

Приведенный момент инерции рабочей машины к валу двигателя:

(5.7)



Суммарный приведенный момент инерции при движении с грузом согласно формуле (5.6):

При движении с грузом:

4,02 кгм².

Для каждого участка проведены расчеты, и все значения занесены в таблицу 5

Рассчитаем пусковые и тормозные моменты двигателя, которые требуются для разгона и торможения привода.

Пусковой момент:

(5.8)

где - статический момент сопротивления движению, Нм;

- динамический момент, Нм.

Динамический момент рассчитываем по формуле (5.9):

(5.9)

где a- допустимое ускорение при пуске и торможении, м/с²;

D - диаметр шкива, преобразующей вращение в поступательное движение, м;

J - приведенный момент инерции привода, кг•м².

Динамический момент при движении :

129,68 Нм.



Пусковой момент при движении вверх:

354,368 Нм.

Пусковой момент при движении вниз:

351,31 Нм.

Тормозной момент:

(5.10)

При движении с грузом вверх:

100,233 Нм.

При движении с грузом вниз:

Нм.

Ни на одном участке момент при торможении или разгоне не оказался выше максимального момента двигателя.

Рассчитаем средний момент двигателя при реостатном пуске с грузом:

Нм (5.11)

Нм



Рассчитаем средний момент двигателя при динамическом торможении с грузом:

. (5.12)

.

Установившуюся скорость двигателя находим по формуле:

100 рад/с, (5.13)

Установившуюся пониженную скорость двигателя находим по формуле:

10 рад/с.



6. Предварительная проверка двигателя по нагреву производительности

Целью предварительной проверки двигателя является уточнение нагрузочных диаграмм момента, а также диаграммы скорости с учетом момента инерции выбранного двигателя.

Рассчитаем времена переходных процессов для каждого участка по формуле (6.1):

(6.1)

где J - приведенный момент инерции системы к валу двигателя, кг•м²;

- установившаяся скорость двигателя,1/с;

- средний момент двигателя, Нм;

- приведенный статический момент, Нм.

Движение вверх:

Первый участок - разгон с грузом:

4,31 с,

Третий участок - торможение с грузом до пониженной скорости:

2,012 с,

Пятый участок - торможение с грузом до остановки:

0,224 с,

Движение вниз:

Седьмой участок - разгон с грузом:

4,3 с,

Девятый участок - торможение с грузом до пониженной скорости:

1,9 с,

Одиннадцатый участок - торможение с грузом до остановки:

0,18 с,

Угол поворота вала:

За 1-й, 3-й и 5-й участки:

155,96 рад,

За 7-й, 9-й и 11-й участки:

рад,

Время работы с установившейся скоростью:

(6.3)

где - угол поворота вала двигателя, соответствующий величине перемещения в данном режиме, рад;

- угол поворота вала за время пуска и торможения, рад.

Угол поворота вала двигателя, соответствующий величине перемещения в данном режиме:

2580,65 рад, (6.4)

Угол поворота вала двигателя, соответствующий величине перемещения в режиме пониженной скорости:

31,05 рад,

В соответствии с формулой (6.3):

22,278 с,

с,

3,105 с,

3,105 с,

Результаты расчета сведены в Таблицу 5

Суммарное фактическое время работы привода:

59,613 с < 63,4 c

Полученное время меньше заданного времени работы привода, то есть требование по производительности выполнено. Предварительная проверка двигателя по нагреву производится по величине среднеквадратичного момента:



(6.5)

163,93 Нм.

Допускаемый момент:

172,004 Нм. (6.6)

где фактическое значение ПВ:

ПВ_ф=88,879 %. (6.7)

Момент двигателя при ПВ_кат, ближайшем к ПВ_ф:

162,158 Нм. (6.8)

Уменьшаем допустимый момент на 15%:

М_доп15=М_доп•0,85=172,004•0,85=146,203 Нм. (6.9)

Среднеквадратичный момент меньше допустимого (146,203 Нм<163,93 Нм), следовательно, двигатель проходит по нагреву.



7. Выбор основных элементов системы ТП-Д

В настоящее время тиристорные преобразователи выпускаются с устройствами, обеспечивающими выполнение необходимых обратных связей (по току, по скорости и т.п.) в системе управления не только преобразователем, но и электроприводом. Такие установки называют комплектным тиристорным электроприводом.

В проекте выбираются электродвигатель M, силовой тиристорный преобразователь для питания двигателя UZ1, силовой трансформатор для питания преобразователя TV (или токоограничивающий реактор), сглаживающий реактор Ld в цепи постоянного тока (при необходимости).

Тиристорный преобразователь UZ1 состоит из двух встречно включенных мостов с раздельным управлением, получает питание от сети через автоматический выключатель QF1 и трансформатор TV (возможна установка токоограничивающих реакторов). Якорь двигателя подключен к выходу UZ1 через автоматический выключатель QF3 и линейный контактор КМ1.

Тиристорный возбудитель UZ2 подключается к сети через автоматический выключатель QF2 и токоограничивающий реактор LF.

Система управления электроприводом обеспечивает двухзонное регулирование скорости. В первой зоне регулирование скорости осуществляется изменением напряжения на якоре системой подчиненного регулирования с внутренним контуром тока якоря и внешним контуром скорости. Вторую зону регулирования скорости обеспечивает зависимая система ослабления поля с внутренним контуром регулирования тока возбуждения и внешним контуром регулирования ЭДС двигателя.



7.1 Выбор преобразователя

Выбор преобразователя осуществляется по следующим условиям: U_нтп ? U_н,

I_нтп ? I_н, где U_нтп и I_нтп - номинальное выпрямленное напряжение и номинальный выпрямленный ток преобразователя.

Выбранный преобразователь Mentor - II:

(В);

(А).

Технические характеристики

Преобразователь Mentor II с микропроцессорным управлением, реверсивный, схема - трехфазная мостовая, управление группами - раздельное.

Охлаждение - принудительное.

Таблица 6 - Характеристика преобразователя.

Тип	Мощность двигателя	Максимальный непрерывный ток	Потери	Номинальный ток возбуждения	Индуктивность дросселей La, Lb, Lc
		Вход I	Выход Id
	кВт	А	А	кВт	А	мкГн
М25К	56	130	155	0,28	8	75

Рисунок 3 - Схема реверсивного тиристорного электропривода постоянного тока.

7.2 Выбор трансформатора

Выбор трансформатора системы ТП - Д производится из условия обеспечения номинального напряжения на якоре двигателя при допустимых колебаниях напряжения сети (-10% +15 %) и номинальном токе якоря.

Для выбора трансформатора определяют линейное напряжение вентильной (вторичной) обмотки трансформатора по соотношению:

где - коэффициент, учитывающий падение напряжения за счет коммутации тиристоров, на активных сопротивлениях трансформатора, вентилей, сглаживающего реактора (предварительно = 1,05);

- коэффициент схемы выпрямления (для трехфазной мостовой схемы = 2,34);

- коэффициент, учитывающий допустимые колебания напряжения сети

(для промышленных электрических сетей = 0,85).

Коэффициент трансформации трансформатора:

Коэффициент схемы выпрямления по току:

Значение тока фазы в цепи питания преобразователя (вторичной обмотки)

при токе нагрузки - номинальном токе двигателя:

Значение тока первичной обмотки:

Расчетное значение типовой мощности трансформатора:

Пользуясь полученными расчетными данными по справочникам или каталогам выбирают силовой трансформатор при.

В данном случае нам подходит трансформатор ТСП-63/0,7

Тип трансформатора	Sн, кВА	U1н, В	U2н, В	I2н, А	Udh, В	Idh, А	Pхх, Вт	Pкз, Вт	Uк,%	Iхх,%
Тсп - 63/0,7	58	380	410	82	460	100	300	1900	5,5	14



8. Расчет статических характерестик электропривода

8.1 Построение естественных механических характеристик

Для построения естественных механических характеристик воспользуемся уравнением механической характеристики :

Для построения естественной механической характеристики необходимо:

1) в абсолютных единицах:

-найти значение :

-найти номинальную скорость:

-номинальный коэффициент ЭДС двигателя:

-скорость идеального холостого хода:

-номинальный момент:

-момент на валу:

-момент потерь холостого хода:

2)в абсолютных единицах:

Рисунок 4 .Естественные характеристики двигателя.

8.2 Построение искусственных механических характеристик

Для построения искусственных механических характеристик воспользуемся уравнением механической характеристики :

1) При уменьшении напряжения на 10%.



Рисунок 4. Искусственные характеристики двигателя при уменьшении напряжения.

2) При добавочном сопротивлении(

=2 Ом)

Рисунок 5. Искусственные характеристики двигателя при добавочном сопротивлении.



Заключение

В результате выполнения курсового проекта был выбран двигатель, по предварительно расщитанной мощности, типа Д32 18 кВт, редуктор Ц2У-315Н.с передаточным число i_p=50.

Далее была проведена предварительная проверка двигателя по нагреву и производительности, в результате которой выяснилось, что двигатель проходит по производительности (59,613 с < 63,4 c) и по нагреву (146,203 Нм<163,93 Нм)

Был выбран тиристорный преобразователь Mentor II с микропроцессорным управлением, реверсивный.

На основе номинальных данных электродвигателя были рассчитаны статические характеристики (естественные и искусственные). Характеристики построены в программе Mathcad на основе расчетных соотношений.



Библиографический список

1.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.

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

3. http://epa.susu.ac.ru/assets/files/PrilozhB.pdf

4. http://www.evroprivod.ru/

5. Непомнящий Л. Л., Семичев Л. Е. Редукторы: Каталог-справочник. - М.: ГОСИНТИ, 1963 - 128 с.

6. Алексеев Ю.В., Дружков Г.И. Электротехника СССР.Двигатели постоянного тока крановые и металлургические. 1978 - 22 с.

Размещено на Allbest.ru