Электропривод рабочего рольганга с системой регулирования скорости электродвигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

статический электродвигатель силовой привод

Целью данного курсового проекта является развитие, систематизация и закрепление знаний, полученных при изучении теоретического материала дисциплины «Теория электропривода».

Постановка в проекте главных вопросов проектирования системы электропривода производственного механизма требует решения следующих технических задач: выявление особенностей механизма, выбор типа электропривода, выбор рода тока и типа электродвигателя, расчет мощности и выбор типоразмера двигателя, выбор способов и аппаратуры для формирования требуемых статических и динамических характеристик.

Определение мощности и выбор электродвигателя является одной из трудоемких задач. Она связана с особенностями работы производственного механизма и характером переходных процессов в электроприводе. Поэтому решается методом последовательных приближений.

В данном курсом проекте необходимо спроектировать электропривод рольганга реверсивного прокатного стана. Прокатный стан представляет собой сложный комплекс различных механизмов, связанных между собой единым технологическим процессом. Кроме основной операции - обжатия для получения нужного сечения и формы металла, на прокатном стане производится большое количество вспомогательных операций, без которых трудно, а подчас невозможно вести технологический процесс: транспортировка металла, установка рабочих валков, кантовка металла, резка, правка и др. Рольганги предназначены для транспортировки металла с помощью вращающихся роликов.

1. Техническое описание механизма

В комплекс реверсивного стана горячей прокатки кроме рабочей клети входят: нагревательные колодцы, слитковозы, рольганги, поворотный стол, кантователь, рабочие рольганги, ножницы и другие механизмы, объединенные общей технологической линией. Прокатка происходит следующим образом:

Нагретый до температуры 1200-1250° С слиток из нагревательных колодцев или нагревательных печей транспортируют специальными тележками-слитковозами к приемному рольгангу, откуда посредством подводящего и удлинительного рольгангов доставляют на рабочий рольганг. Перед подачей слитка в клеть устанавливается с помощью нажимного устройства необходимый раствор валков, затем включается привод переднего рабочего рольганга и двигатель рабочих валков таким образом, чтобы в момент входа металла в валки их скорость соответствовала нормальным условиям захвата. Как правило, эта скорость ниже скорости прокатки, поэтому после захвата металла происходит дальнейшее увеличение скорости валков, и двигатель в это время преодолевает момент статического сопротивления и инерцию движущихся масс.

В конце пропуска двигатель включается на торможение с таким расчетом, чтобы скорость выброса металла из валков не была слишком большой, и слиток не уходил далеко от рабочей клети. После выхода слитка из валков включается нажимное устройство для получения нужного раствора валков, затем двигатель включается в обратном направлении для последующего пропуска. Для уменьшения времени паузы необходимо, чтобы перемещение нажимного устройства и реверс рольгангов и рабочих валков производился одновременно и за минимальное время. После второго, четвертого и других четных пропусков заготовка попадает на передний рабочий рольганг и здесь, если это необходимо, она кантуется на 90° при помощи кантователя или перемещается в нужный калибр с помощью линеек манипулятора. Общее количество пропусков при прокатке одного слитка (3-19), оно колеблется в зависимости от стана и размеров заготовки. После окончания прокатки металл транспортным рольгангом подается к ножницам, где отрезаются имеющие неправильную форму передний и задний концы проката, и осуществляется порез его на мерные длины.

Таким образом, для транспортирования прокатываемого металла к прокатному стану, подачи металла в валки, приема его из валков и передвижения к вспомогательным машинам (ножницам, пилам, правильным машинам и т.д.) служат рольганги. Рабочими называют рольганги, расположенные непосредственно у рабочей клети стана и служащие для подачи прокатываемого металла в валки и приема его из валков.

На рисунке 1.1 показана схема расположения рольгангов.

Рис. 1.1 Схема расположения рольгангов

где: 1 - транспортный рольганг, 2 - рабочий рольганг, 3 - рабочая клеть стана.

Применяют рольганги с групповым и индивидуальным приводом роликов. При индивидуальном приводе каждый ролик имеет отдельный привод. На рис 1.2 показана кинематическая схема рольганга с индивидуальным приводом ролика.



Рис. 1.2 Кинематическая схема индивидуального привода ролика рольганга.

где: 1 - ролик, 2 - подшипники, 3 - редуктор, 4 - муфты, 5 - электродвигатель.

Рабочие рольганги, работающие в повторно-кратковременном режиме, требуют быстрого разгона и замедления механизма, так как в пределах отведенного им времени должны быстро выполнить свою операцию, не снижая общего ритма прокатки.

Привод механизма должен обеспечивать стопорную (экскаваторную) характеристику щ = f(М) для защиты электрического двигателя при чрезмерных усилиях, которые могут возникнуть в процессе работы, а также для приближения формы динамического тока при разгоне и торможении к прямоугольной, позволяющей при заданной максимальной величине тока получить более интенсивные переходные процессы.

2. Диаграммы скорости и статических нагрузок

2.1 Момент инерции механизма

Момент инерции ролика относительно его оси вращения:

где m_p =1.2·10і кг - масса ролика

D_i - диаметр инерции вращающегося ролика

где r - наружный радиус цилиндра ролика

где D = 400 мм - диаметр ролика

Момент инерции металла, прокатываемого по ролику:

где m =3·10і кг - масса заготовки на один ролик рольганга

Момент инерции механизма, приведенный к тихоходному валу редуктора:

2.2 Расчет рабочих скоростей механизма

Скорость подачи заготовки до захвата

где V_зах = 1.35 м/с - скорость захвата заготовки в валки,

Угловая скорость ролика

Скорость вала двигателя:

Радиус приведения:

Угловое ускорение:

где а =4 м/сІ - допустимое ускорение рабочих валков

Скорость при прокатке:

где V_пр = 4.05 м/с - скорость прокатки,

Скорость приемки заготовки из валков:

2.3 Расчет моментов статического сопротивления

Момент статического сопротивления рольганга складывается из момента холостого хода Мх.х и момента, требуемого для транспортирования металла по рольгангу М_ТР

Момент холостого хода, приведенный к валу двигателя:

 Н·м

где: m_р = 3.7•10³ кг - масса ролика,

d = 205 мм - диаметр цапфы вала,

м = 0.006 - коэффициент трения в подшипниках,

- К.П.Д редуктора при холостом ходе,

= 0.85 - К.П.Д редуктора.

Момент транспортировки металла по рольгангу:

Н·м

где m =3•10³ кг - масса заготовки на один ролик рольганга,

f = 0.0015•10^-2 м - коэффициент трения качения металла по роликам - [1]

Динамический момент без груза:

Динамический момент с грузом:



При чрезмерных усилиях и замедлениях, при выбросе металла из валков на ролик, при упоре металла в борты рольганга и в направляющие линейки происходит буксование (проскальзывание) роликов по металлу. Нагрузка при этом резко возрастает.

Статический момент двигателя при буксовании:

Н·м

где - коэффициент трения металла о ролики при буксовании (для горячего металла).

Величина М_букс используется для проверки двигателя по перегрузочной способности.

Динамический момент ЭД необходимый для преодоления сил инерции прокатываемого металла, роликов и двигателя:

,

где а_м - линейное ускорение металла, движущегося по роликам без пробуксовки.

Для того чтобы заставить металл двигаться по роликам рольганга с ускорением, ролики должны преодолеть силу инерции металла, равную:



Но при движении металла по роликам (без проскальзывания) сила инерции не может быть больше силы трения между роликом и металлом

Для горячего металла:

2.4 Расчет времен установившихся режимов работы рольганга

Время транспортировки металла к валкам до захвата:

где l =1.43 м - расстояние ролика до рабочих валков

Время подачи металла в валки при прокатке:

где L_СР =10.4 м - средняя длина заготовки:

Время транспортировки металла после прокатки:

Диаграммы скорости и статических нагрузок механизма, построенные в соответствии с вышеприведенными расчетами, представлены на рис. 2.4.1

3. Выбор системы ЭП и предварительный выбор ЭД

Эквивалентный момент за цикл работы:

Н•м

Для обеспечения перегрузочной способности необходимо выполнение условия , где л=2.7 - перегрузочная способность ЭД серии Д с параллельным возбуждением.

кВт

где n_ном - номинальная скорость вращения ротора выбираем 520 об/мин.

Выбираем ЭД серии Д816 и выписываем данные для ПВ=40%:

Таблица 3.1

Pном, кВт	Uном, В	Iном, А	nном, об/мин	nмакс, об/мин	Rя+Rдп	JЭД, кг•м2
85	220	350	535			16.3

Номинальная угловая скорость:

рад/с

Номинальный момент:

Н•м

Суммарные моменты инерции:

Время переходных процессов, с:

Для учета ухудшения условий охлаждения:

Эквивалентный момент при ПВст = 40%:

Момент номинальный ЭД при ПВ = 40%:

т.к. М_Э < М_Н, то двигатель подходит.

Для регулирования скорости ЭД выбираем систему ТП-Д путем изменения напряжения якоря.

4. Упрощённая нагрузочная диаграмма ЭД.

Н•м

Н·м

Времена разгона, реверса и торможения:

c

c

c

c

5. Проверка ЭД

Эквивалентный момент при ПВ=40%

Номинальный момент ЭД при ПВ=40%

М_ном=608 Н•м

т.к. М_э < М_ном, то двигатель подходит.

6. Выбор оборудования и расчёт параметров ЭП.

Номинальный ток ЭД: Iн = 350 А.

Сопротивление обмотки якоря и дополнительных полюсов при t = 20 єС:

(Rя + Rд) = 0.0091 Ом.

Сопротивление (Rя + Rд) при рабочей температуре по классу H:

Ом

Индуктивность якорной обмотки:

мГн

где, - для некомпенсированных машин,

2 - число полюсов ЭД.

Для согласования питающей сети с системой питания ЭД выбираем трансформатор:

ТЗСП - 250/0.7У3

Справочные данные указаны в таблице 6.1.

Таблица 6.1

Полная мощность, Sн, кВ·А	Трансформатор	Преобразователь	Потери	Ток х.х, Iх.х, %	Напряжение к.з, Uк, %
	Uс, В	U2, В	I2, А	Напряжение, Uпр, В	Ток, Iпр, А	х.х Pх.х, Вт	к.з Pк.з, Вт
235	380	416	326	460	400	915	3700	3.4	4.7

Рассчитаем параметры трансформатора:

Активное сопротивление обмотки трансформатора:

Ом

где, - число фаз трансформатора.

Полное сопротивление обмотки трансформатора:

Ом

Индуктивное сопротивление обмотки трансформатора:

Ом

Коммутационное сопротивление:

Ом

где, - для мостовой схемы преобразователя.

Индуктивность обмотки трансформатора:

мГн

Суммарные сопротивление и индуктивность якорной цепи:

Ом

мГн

Параметры системы электропривода:

мс

с

с

Для регулирования скорости ЭД выбираем электропривод трёхфазный унифицированный серии ЭПУ1-2-4647П-УХЛ4 [2]

Iн = 400 А,

Uн = 460 В.

7. Статические характеристики

Естественная электромеханическая характеристика ЭД:

рад/с

Статизм естественной характеристики:

Напряжения якоря необходимые для обеспечения требуемых скоростей:

В

В

В

Электромеханическая характеристика ЭД для нижней скорости:

рад/с

Для обеспечения нормальной работы рольганга статизм нижней характеристики не должен превышать 10%, т.е.

Электромеханические характеристики ЭД:

Диапазон регулирования:

Т.к. номинальная скорость х.х. 50.57 рад/с, то диапазон регулирования:

Требуемый статизм характеристики:

Для увеличения жесткости электромеханических характеристик электропривода необходимо ввести ОС по скорости.

Для этого рассчитаем:

ЭДС преобразователя:

В

Коэффициент передачи прямого канала:

где, U_у.max = 5 В-максимальное напряжение задания, ограничивается максимальным напряжением подаваемым на вход ОУ.

Коэффициент передачи ОС по скорости:

Максимальное напряжение ОС по скорости:

В.

Для U_ос.мах до 5 В необходим делитель с коэффициентом передачи:

Коэффициент передачи регулятора:

Искусственные электромеханические характеристики электропривода:

Напряжение задания:

В

В

В

Для ограничения максимально допустимого тока при перегрузках: А, необходимо ввести обратную связь по току с отсечкой. При этом:

? момент стопорения:

Н·м

? момент уставки:

Н·м

? ток уставки:

А

? скорость ЭД при моменте уставки:

рад/с

? скорость х.х. при действии ОС по току:

рад/с

,

откуда

Электромеханическая характеристика ЭП при действии ОС по току:

Электромеханические характеристики разомкнутого ЭП приведены на рис 7.1

Электромеханические характеристики замкнутого ЭП приведены на рис 7.2

8. Анализ переходных процессов

Расчет и анализ переходных процессов за цикл работы механизма позволяет определить продолжительность процессов, закон изменения скорости, путь, проходимый рабочим органом, а также позволяет провести уточненную проверку двигателя по нагреву и перегрузочной способности.

Исходная система уравнений:



Рассчитаем аналитически переходные процессы M(t) и щ(t).

Первый этап: время, до которого якорь находится в неподвижном состоянии, т.е. М ? М_с; щ = 0; К_ос = 0; К_от = 0.

Решение данного уравнения:

Первый этап завершиться в момент времени:

Подставляя в решение уравнения значение времени t от 0 до , построим кривую M(t) до значения М_с1 = 30.329 Н·м (рис. 10).

Второй этап: ротор начинает разворачиваться; на этом этапе система становится замкнутой, т.к. появляется обратная связь по скорости, в результате:

М_с < М; щ ? 0; К_ос ? 0; К_от = 0; М_нач = М_с.

Решения данного уравнения:

б = 9.65; Щ_р = 36; щ_m = 12.15 рад/с

С = М_нач - М_с = 0

Подставляя в решения уравнений значения времени, построим кривые щ(t) и М(t) (рис. 7).

Переходной процесс на втором этапе закончится, когда момент достигнет значения M_у = 3687.04 Н·м. Это произойдет при t₂ = 3.34·10^-3 c.

Третий этап: на этом этапе момент превышает М_у и в системе работает обратная связь по току.

М_нач = М_у = 3687.04 Н·м; щ_нач = щ₂ = 2.6·10^-4 рад/с; К_ос ? 0; К_от ? 0.



Решения данного уравнения:

б₁ = 0.265; б₂ = 3941.25; щ_m = 12.15 рад/с.

С = М_нач - М_с - D = 3687.04 - 30.329 + 448.591 = 4105.302



А = щ_нач - щ_у = 2.6·10^-4 - 108.085 = -108.085

Подставляя в решение уравнений значения времени, построим кривые щ₃(t) и М₃(t). Второй и третий этапы будут повторяться до момента времени

t = 0.228 с, при котором скорость достигнет рабочего значения.

Четвертый этап: на этом этапе скорость превышает щ_раб и в системе работает обратная связь по скорости.

М < М_у; М_нач = 3687.04 Н·м; щ_нач = 12.15 рад/с; К_ос ? 0; К_от = 0.

Решения данного уравнения:

б = 7.232; Щ_р = 37.35; щ_m = 12.15 рад/с

С = М_нач - М_с = 3687.04 - 30.329 = 3656.711

А = щ_нач - щ_у = 0

Подставляя в решение уравнения значения времени, построим кривые щ₄(t) и М₄(t) до установившегося значения (рис. 9).



Как видно из графиков скорости и момента, скорость может быть больше или меньше рабочей скорости щ_раб = 4,17 рад/с, а момент изменяет свое значение относительно момента уставки М_у = 5734,8 Н·м; поэтому дальнейшие этапы расчета будут зависеть от соотношений скоростей и моментов.

9. Окончательная проверка электродвигателя

Для окончательной проверки электродвигателя по нагреву и перегрузочной способности используются уточненная скоростная и нагрузочная диаграммы за весь цикл работы механизма.

Эквивалентный момент:

,

где t_ц - время цикла с учетом ухудшения условий охлаждения ЭД.

М_i - момент на i-ом участке диаграммы.

Для наиболее точного расчета необходимо рассмотреть как можно больше участков диаграммы. Для этого воспользуемся программой MATLAB, которая произведет интегрирование на всем участке нагрузочной диаграммы (рис. 10).

Рис. 10. Фрагмент документа MATLAB для расчета эквивалентного момента

Эквивалентный момент:

Электродвигатель проходит по нагреву.

Для проверки электродвигателя по перегрузочной способности определим на уточненной нагрузочной диаграмме максимальный момент:

М_max = 3920 < М_доп = 4214 Н·м

Электродвигатель проходит по перегрузочной способности.

Потери мощности:

где Др_в = 1250 Вт - потери в обмотке возбуждения;

n - число участков цикла с установившемся режимом;

щ_уi - установившееся значение скорости i-го участка;

I_яу - ток в якорной цепи в установившемся режиме на i-м участке;

R_яд - сопротивление якорной цепи самого двигателя;

m - число участков переходных режимов;

щ_i(t) - скорость двигателя на i-ом участке;

I_я(t) - ток якоря в переходных режимах;

Постоянные потери:

Расчет потерь произведем с помощью программы MATLAB (рис. 11).

Рис. 11. Фрагмент документа MATLAB для расчета потерь

10. Энергетика электропривода

Рассчитаем расход энергии за цикл:

,

где t_yi - время работы на i-ом участке в установившемся режиме;

t_i - длительность i-ого участка переходного режима;

t_р - время работы электропривода за цикл.

Расчет энергии произведем с помощью программы MATLAB (рис. 14).

Рис. 14. Фрагмент документа MATLAB для расчета энергии за цикл.

В результате расчета получим:

Потери энергии за цикл работы рассчитаем с помощью MATLAB (рис. 15).



Рис. 15. Фрагмент документа MATLAB для расчета потерь энергии за цикл работы

КПД электропривода за цикл работы:

11. Схема управления

На рис. 16 изображена схема управления двигателем постоянного тока для механизма продольно-строгального станка.

Рис. 16. Принципиальная схема управления ДПТ.

Якорь электродвигателя питается от реверсивного мостового тиристорного преобразователя, регулирование выпрямленным напряжением тиристорного преобразователя (UZ1) осуществляется с помощью системы импульсно-фазового управления (AV).

Электропривод имеет отрицательные обратные связи:

- по скорости;

- по току (с отсечкой).

Литература

1. Капунцов Ю.Д., Елисеев В.А., Ильяшенко П.А., Электрооборудование и электропривод промышленных установок. - М.: Высшая школа, 1979.

2. Комплектные тиристорные электроприводы: Справочник / Под ред. В.М. Перельмутера.-М.: Энергоатомиздат, 1988.

4. Королев А.А., Конструкция и расчет машин и механизмов прокатных станов. - М.: Металлургия, 1985.

3. Справочник по электрическим машинам в 2 т. /Под ред. Копылова И.П., Клоко-

ва Б.К. - М.: Энергоатомиздат. Т.1 - 1988, Т.2 - 1989.

4. Яуре А.Т., Певзнер Е.М. Крановый электропривод: Справочник - М.: Энергоатомиздат, 1988.

Размещено на Allbest.ru