Проектирование электропривода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В курсовом проекте будут рассмотрены вопросы проектирования электроприводе механизмов повторно-кратковременно циклического режима работы.

Целями курсового проекта являются:

- систематизация и закрепление знаний по курсу «Теория электропривода»;

- ознакомление с серийно выпускаемым электрооборудованием (электродвигателями, преобразователями, аппаратурой управления);

- освоение распространенных методов расчетов электропривода.

В курсовом проекте рассматриваются вопросы выбора двигателей по мощности, обоснованного выбора силового оборудования и аппаратуры управления электропривода рабочей машины, оценки статических, динамических и энергетических показателей выбранного электропривода и применение систем управления электродами для механизмов, работающих в повторно - кратковременном режиме работы.

электропривод циклический двигатель электрод

1. Описание машины и ее технологического процесса

Толкатель методической печи предназначен для подачи заготовки 5, поступающей по подающему рольгангу 3, в методическую печь, где происходит разогрев заготовок. Толкатель представляет собой механизм, движущийся возвратно-поступательно. Поступательное движение обеспечивается применением реечной шестерни, которая через муфту соединена с редуктором. На другом валу редуктора расположен электродвигатель, приводящий в движение толкатель.

После того, как заготовка поступает к толкателю по рольгангу, толкатель включается и производит перемещение заготовки на ширину рольганга, подавая ее в печь. После соприкосновения с другими заготовками толкатель должен переместить все заготовки, находящиеся в печи, на расстояние, равное ширине одной заготовки. После этого толкатель реверсируется и перемещается в исходное состояние с заданной скоростью.

Таблица 1 - Исходные данные

№	Обозначение	Наименование показателя	Размерность	Значения
1	mш	Масса штанги с рейкой	т	5,4
2	D	Диаметр реечной шестерни	м	0,3
3	dст	Диаметр шейки ролика	мм	75
4	м	Коэффициент трения скольжения	-	0,02
5	мс	Коэффициент трения скольжения заготовки по поду печи	-	0,2
6	f	Коэффициент трения качения опорных роликов	мм	2
7	CК	Крутильная жесткость рабочего вала	MН•м/рад	50
8	mЗ	Масса одной заготовки	т	0,9
9	L	Длина перемещения одной заготовки	м	5
10	N	Число заготовок в печи	-	30
11	b	Ширина одной заготовки	мм	200
12	VР	Скорость рабочего хода	м/с	0,2
13	VВ	Скорость возвратного движения	м/с	0,3
14	a	Допустимое ускорение	м/с2	0,5
15	z	Число циклов в час	-	60
16	tP	Суммарное время работы, не более	с	55

2. Требования, предъявляемые к электроприводу

При выборе системы электропривода необходимо учитывать совокупность требований, предъявляемых к электроприводу.

Основными требованиями, которые должны быть выполнены при проектировании электропривода, являются следующие технологические задачи:

- должна быть обеспечена заданная производительность механизма;

- перемещение рабочего органа должно выполняться в пределах заданного промежутка времени;

- ускорение рабочей машины не должно превышать заданного (допустимого) значения;

- отклонение скорости установившего режима не должно превышать заданного значения.

К требованиям, обеспечивающим надежную и экономичную работу электропривода в течение срока эксплуатации оборудования, относят:

- величина эквивалентного тока (момента) должна быть в пределах 0.85…1 ее допустимого значения;

- двигатель должен выдерживать возникающие кратковременные перегрузки;

- преобразователь частоты должен обеспечивать все режимы работы электродвигателя, при этом также должен выдерживать возникающие кратковременные перегрузки;

- экономичность системы электропривода должна быть максимальной, обеспечивающей минимум капитальных затрат и минимум потерь энергии за счет правильного выбора электрооборудования.

При разработке требований к электроприводу необходимо учитывать условия энергосбережения рабочей машины (возможные колебания напряжения от +10% до -15% от номинального напряжения питающей сети), а также возможные изменения технологического процесса (разброс масс перемещаемых грузов вызывает изменение статического момента от +10% до -10% от номинального момента двигателя).

3. Расчет моментов статических и предварительный расчет мощности электродвигателя

3.1 Расчет статических моментов и построение нагрузочных диаграмм

Наиболее простой метод предварительного расчета мощности двигателя основан на учете лишь статических нагрузок. При этом для получения нагрузки, эквивалентной реальной нагрузке нескольких участков нагрузочного графика используется метод среднеквадратичного момента.

Статические сопротивления движению в рабочих машинах создаются силами трения скольжения в подшипниках, при поступательном движении тела по горизонтальной плоскости, силами трения качения тела по роликам.

На каждом из участков работы необходимо определить виды составляющих моментов сопротивления движению и выполнить их расчеты по формулам, приводимым в технической литературе по конкретным механизмам. В нашем случае это:

- подшипники (момент сил трения в подшипниках);

- опорные ролики (момент сил трения качения);

- заготовки, скользящие по поду печи (момент сил трения скольжения тела по горизонтальной плоскости).

Момент сил трения в подшипниках:

, (3.1)

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

d_ц - диаметр шейки вала или оси, м;

µ - коэффициент трения скольжения в подшипниках;

g = 10 м/c² - ускорение свободного падения.

Момент сил трения скольжения тела по горизонтальной плоскости:

, (3.2)

где m_з - масса движущегося тела, кг;

µ_с - коэффициент трения скольжения тела по плоскости;

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

Момент сил трения качения:

, (3.3)

где m - масса деталей, опирающихся на узел качения, кг;

f - коэффициент трения качения, м.

В данном механизме на подшипники опирается сам толкатель, чья масса составляет 5400 кг.

В соответствии с формулой (3.1) имеем:

Н•м.

В соответствии с формулой (3.2) для этапа толкания одной заготовки по рольгангу имеем:

Н•м;

в соответствии с формулой (3.2) для этапа толкания тридцать одной заготовки по рольгангу имеем:

Н•м.

В соответствии с формулой (3.3) момент сил трения качения:

Н•м.

Суммарный статический момент при движении заготовки поперек рольганга:

; (3.4)

Н•м.

Суммарный статический момент при толкании всего количества заготовок по поду печи:

; (3.5)

Н•м.

Суммарный статический момент при реверсировании толкателя:

;

Н•м.

Рассчитаем и построим зависимость скорости рабочей машины и суммарного момента от времени, основываясь на данных допустимых скоростей и ускорений на отдельных участках.

Время пуска до заданной скорости движения толкателя при движении вперед:

, (3.6)

где - заданная скорость движения, м/c;

- допустимое ускорение, м/c².

При движении вперед:

.

При движении назад:

.

Путь, проходимый рабочей машиной за время пуска:

; (3.7)

При движении вперед:

м.

При движении назад:

м.

Время установившегося режима движения со скоростью :

t_у=(L - (L_П + L_Т))/н_у, (3.8)

где L - весь путь, проходимый рабочим органом, м.

В соответствии с формулой (3.8) для движения вперед:

; (3.9)

c.

Для движения назад:

; (3.10)

c.

Для определения динамических моментов рабочей машины рассчитывается момент инерции рабочей машины:

, (3.11)

где - массы поступательно движущихся частей (штанга и заготовка соответственно), кг;

D - диаметр реечной шестерни, находящейся на выходном валу редуктора и преобразующей вращательное движение в поступательное движение, м.

В соответствии с формулой (3.11) для движения вперед при толкании одной заготовки получаем следующий момент инерции:

кг•м²;

При толкании всех заготовок по поду печи:

кг•м²;

При движении толкателя вперед или назад:

кг•м².

Зная моменты инерции, можно определить динамические моменты, так как известно допустимое ускорение при разгоне и торможении:

; (3.12)

Разгон и торможение привода без заготовки:

Н•м;

Торможение привода с 31 заготовкой:

Н•м;

Полный момент рабочей машины находится по формуле:

; (3.13)

Рассчитаем полный момент при движении вперед:

а) разгон без заготовки (t=0…0,4 с.)

Н•м;

б) установившийся режим без заготовки (t=0,4…1,2 с.)

Н•м;

в) установившийся режим с заготовкой (t=1,2…27,2 с.)

Н•м;

г) установившийся режим с 31 заготовкой (t=27,2…28 с.)

Н•м;

д) торможение с 31 заготовкой (t=28…28,4 с.)

Н•м;

Рассчитаем полный момент при движении назад:

а) разгон без заготовки (t=0…0,6 с.)

Н•м;

б) установившийся режим без заготовки (t=0,6…18,667 с.)

Н•м;

в) торможение без заготовки (t=18,667…19,267 с.)

Н•м;

На рисунке 2 изобразим диаграммы полного момента и скорости в зависимости от времени, а в таблицах 2, 3 для каждого участка запишем величины моментов, скоростей, ускорений, моментов инерции и пройденного пути.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 - Диаграммы полного момента и скорости толкателя

Таблица 2 - Расчет моментов и скоростей при движении вперед

Участок движения	Пуск	Уст. режим 1	Уст. режим 2	Уст. режим 3	Торможение
t, с	0,4	0,8	26	0,8	0,4
, м	0,04	0,16	5,2	0,16	0,04
v, м/с	-	0,2	0,2	0,2	-
Mрост, Н•м	148,5	148,5	418,5	8518,5	8518,5
Jрост, кг•м2	121,5	121,5	141,75	749,25	749,25
Mродин, Н•м	405	0	0	0	2497,5
Mро, Н•м	553,5	148,5	418,5	8518,5	6021
Mрс, Н•м	2,35	2,35	6,64	135,2	135,2
Mвс, Н•м	2,42	2,42	6,84	139,4	131,1
Mс, Н•м	2,42	2,42	6,84	139,4	131,1
, рад/с	-	84	84	84	-
Jпр, кг•м2	0,03	0,03	0,035	0,19	0,19
J, кг•м2	0,69	0,69	0,695	0,85	0,85
Mдин, Н•м	144,9	0	0	0	-178,5
Mдоп.уск, Н•м	147,3	0	0	0	47,4
, рад	16,8	1159,2	16,8
t, c	0,4	0,8	26	0,8	0,4

Таблица 3 - Расчет моментов и скоростей при движении назад

Участок движения	Пуск	Уст. режим	Торможение
t, с	0,6	18,0667	0,6
, м	0,09	5,42	0,09
v, м/с	-	-0,3	-
Mрост, Н•м	148,5	148,5	148,5
Jрост, кг•м2	121,5	121,5	121,5
Mродин, Н•м	405	0	405
Mро, Н•м	-553,5	-148,5	256,5
Mрс, Н•м	-2,35	-2,35	-2,35
Mвс, Н•м	-2,42	-2,42	-2,28
Mс, Н•м	-2,42	-2,42	-2,28
, рад/с	-	-126	-
Jпр, кг•м2	0,03	0,03	0,03
J, кг•м2	0,69	0,69	0,69
Mдин, Н•м	-144,9	0	144,9
Mдоп.уск., Н•м	-147,3	0	142,62
, рад	37,8	1138,2	37,8
t, c	0,6	18,0667	0,6

3.2 Предварительный расчет мощности

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

, (3.14)

где M_k - момент на k-м участке, Н•м;

t_k - длительность k-го участка, с.

Рассчитаем значение среднеквадратичного момента:

,

Н•м.

Тогда мощность двигателя определяется по формуле:

, (3.15)

где k₁ =1,3…1,5 - коэффициент, учитывающий динамические нагрузки, обусловленные вращающимися элементами электропривода, то есть двигателем, редуктором, а также учитывающий потери в редукторе;

D - диаметр шестерни выходного вала редуктора, м;

v₀ - основная скорость движения, м/с;

- фактическое значение продолжительности включения проектируемого привода;

- ближайшее к ПВ_ф каталожное значение продолжительности включения проектируемого привода.

Фактическое значение ПВ рассчитаем, зная длительность времени работы t_K на всех участках движения и заданному времени цикла:

, (3.16)

где z = 60 - число циклов работы машины за один час.

с.

; (3.17)

В соответствии с формулой (3.17):

.

Для двигателей краново-металлургической серии ряд ПВ: 15, 25, 40, 60, 100%. Выбираем ближайшее большее ПВ, то есть ПВ_кат=100.

Тогда мощность двигателя в соответствии с формулой (3.15):

Вт.

4. Выбор электродвигателя, определение передаточного числа, выбор редуктора

4.1 Выбор электродвигателя

Выбор электродвигателя произведем по каталогу, представленному в методическом пособии [1]. Выбираем двигатель краново-металлургической серии, так как двигатели данной серии имеют следующие преимущества:

– усилены обмотки статора и ротора;

– снижены моменты инерции;

– увеличена перегрузочная способность двигателей.

Выбираем двигатель так, чтобы значение его мощности при ПВ_кат было равно или несколько больше мощности, которую мы рассчитали в предыдущем пункте.

Таблица 4 - Данные электродвигателя MTKH211-6

№	Обозначения	Наименования показателя	Размерность	Данные
1	РН	Мощность двигателя	кВт	4,2
2	Н	Частота вращения	об/мин	940
3	I1Н	Ток статора	А	16.5
4	cos цН	Отношение активной мощности к полной мощности	-	0,53
5	зН	Коэффициент полезного действия	%	73
6	MК	Максимальный момент	Н•м	226
7	JДВ	Момент инерции	кг•м2	0,44
8	mДВ	Масса двигателя	кг	110

4.2 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;

v₀ - основная скорость рабочего органа, .

В соответствии с формулой (4.1) имеем:

.

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 ЦЗУ - 160, с передаточным числом равным 63. КПД данного редуктора составляет 0,97.

Таблица 5 - Характеристики редуктора ЦЗУ - 160

№	Обозначения	Наименования показателя	Размерность	Данные
1	МНОМ	Номинальный крутящий момент		1600
2		Коэффициент полезного действия	%	97
3		Передаточное число	-	63

5. Расчет приведенных статических моментов и моментов инерции к валу двигателя

5.1 Расчет приведенных статических моментов

После выбора электродвигателя и редуктора, а также после расчета моментов сопротивления можно рассчитать статические моменты системы приведенные к валу двигателя, воспользовавшись формулой (6.1):

, (5.1)

где - передаточное число редуктора,

- статический момент рабочего органа, Н•м.

В соответствии с формулой (5.1) для пуска привода при движении «вперед»:

Н•м.

С учетом потерь в редукторе статические моменты на валу рассчитывают в зависимости от режима электропривода.

Статический момент на валу в двигательном режиме:

, (5.2)

где - КПД редуктора.

Результаты расчета занесены в таблицы 2 и 3 для каждого участка.

При работе электропривода в тормозных режимах потери в редукторе вызывают уменьшение нагрузки двигателя, при этом момент на валу определяется:

. (5.3)

В соответствии с формулой (5.3) для торможения толкателя при движении «вперед»:

Н•м.

Аналогично при движении «назад»:

Н•м.

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

, (5.4)

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

Момент потери холостого хода можно не рассчитывать, т.к. это очень затруднительно, поэтому данный момент мы не учитываем, принимая:

. (5.5)

5.2 Расчет приведенных моментов инерции и коэффициентов жесткости

Суммарный приведенный момент к валу двигателя момент инерции системы можно рассчитать по формуле:

, (5.6)

где - момент инерции ротора двигателя;

- коэффициент, учитывающий момент инерции остальных элементов электропривода: муфт, тормозного шкива, редуктора и др. В курсовом проекте допускается рассчитывать момент инерции электропривода приближенно, принимая .

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

. (5.7)

Рассчитаем J_ПР для разных участков движения толкателя и занесем результаты в таблицы 2 и 3.

В соответствии с формулой (5.6) находим суммарный приведенный момент при пуске за время, равное 0.2 с:

кг•м².

Для возможности учета влияния упругостей в механизме указана крутильная жесткость С_К, отнесенная к рабочему валу.

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

, (5.8)

.

Рассчитаем для каждого участка работы электропривода значения установившейся скорости двигателя:

. (5.9)

В соответствии с формулой (5.9) рассчитаем скорость вращения вала двигателя при движении «вперед»:

.

Аналогично для движения «назад»:

.

Рассчитаем динамический момент по следующей формуле:

, (5.10)

где - допустимое ускорение при пуске и торможении, ;

D - диаметр шестерни, преобразующей вращательное движение в поступательное, м;

J - момент инерции привода, кг•м².

Проведем расчеты для каждого участка и занесем получение значения в таблицы 2 и 3.

Рассчитаем пусковой момент электродвигателя по следующей формуле:

. (5.11)

Для пуска, равного 0,4 с:

Н•м.

Для пуска, равного 0,6 с:

Н•м.

Рассчитаем тормозной момент:

. (5.12)

Тормозной момент при времени равном 0,4 с:

Н•м.

Тормозной момент при времени равном 0,6 с:

Н•м.

Момент М_{ДОП.УСК} меньше максимального допустимого момента двигателя, значит ускорение не приходится снижать.

Библиографический список

1) Технические данные электродвигателей. - http://epa.susu.ac.ru/138

2) Параметры редукторов. - http://www.reduktor.org/m/2009-08-04-08-32-28?page=shop.product_details&flypage=flypage.tpl&product_id=14&category_id=4

3) Драчев, Г.И. Теория электропривода: учебное пособие к курсовому проектированию / Г.И. Драчев. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2002. - 138 с.

4) Технические данные электрических преобразователей http://epa.susu.ac.ru/138

Размещено на Allbest.ru