ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ                             ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 
 
 

Электротехнический  институт

Направление 551300 - Электротехника, электромеханика  и электротехнологии

Кафедра электропривода и электрооборудования

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД ПРОИЗВОДСТВЕННОГО  МЕХАНИЗМА

 

Пояснительная записка к курсовому проекту  по дисциплине

«Электрический  привод»

ФЮРА .000000.000.ПЗ

Студент группы 7А22                                 ______________ Патлин Д.Е.

                                                   ^{подпись}

                                          ______________   

                                                ^дата 

Руководитель

Профессор                            ______________   Р.Ф. Бекишев

                                                                                                                      ^{подпись} 

                                          ______________

                                                ^дата 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Томск – 2005

 

СОДЕРЖАНИЕ

 
 

 

                                                        ВВЕДЕНИЕ 

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

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

      В данном курсовом проекте  спроектирован электропривод производственного  механизма, на базе двигателя постоянного тока, удовлетворяющий заданным параметрам и режимам работы. В качестве передаточного устройства используется редуктор, а в качестве управляющего используется командоаппарат.

 

1. ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ НА ОСНОВАНИИ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Данные  для построения диаграмм:

n₁ = 80 об/мин – частота вращения на 1 рабочей ступени.

t₁ = 25 с – время работы на 1 ступени.

n₂ = 20 об/мин – частота вращения на 2 ступени.

t₂ = 50 с – время работы на 2 ступени.

t₀ = 5 с – время паузы.

Характер  нагрузки – активный.

М_мех. = 1000 Н×м – момент нагрузки (механизма) на валу двигателя,

η_перед. = 0.98 – коэффициент полезного действия передачи,

Ј_мех. = 20 кг×м² – момент инерции механизма. 

1.1.Построение диаграммы скорости и нагрузочной диаграммы производственного       механизма.

Рисунок 1 Диаграмма скорости производственного механизма 
 

Рисунок 2 Нагрузочная диаграмма производственного механизма 

1.2. Расчет мощности электродвигателя и выбор его по каталогу.

1.3. Определяем продолжительность включения: 

% 

   Выбираем  из стандартного ряда ближнее по величине, значение продолжительности включения:

   ПВ_кат =100%

1.4.Определим диапазон регулирования:

   

1.5.Определяем среднеквадратичное значение мощности за время работы на основании тахограммы и нагрузочной диаграмм:

 кВт,

где m – число рабочих участков в цикле;

- время работы на i-м участке цикла;

 - коэффициент ухудшения теплоотдачи на i-м участке цикла;

- мощность нагрузки на валу  механизма на i-м участке цикла.

- угловая скорость на i-м участке 

   1.6.Определение значений угловых скоростей по ступеням:

рад/с,

рад/с.

   1.7.Определение мощности по ступеням:

- первая ступень

 кВт,

- вторая ступень

 кВт. 
 
 

   1.8.Определим коэффициенты ухудшения теплоотдачи по ступеням по выражению:

,где  - коэффициент ухудшения теплоотдачи при неподвижном якоре (роторе), принимаемый для двигателей закрытого исполнения без принудительного охлаждения β₀ = 0.95;

Для первого  участка

,

Для второго  участка

. 

   1.9.Среднеквадратичное значение мощности:

.

1.10.Делаем пересчет среднеквадратичной мощности двигателя на выбранное стандартное значение ПВ=100% 

 кВт,

1.11.Определяем расчетную мощность электрического двигателя:

где  k_З = (1.1 ÷ 1.3) - коэффициент запаса;

η_мех – КПД передачи при n_макс,

Принимаем k_З=1.25.

кВт. 

1.12. Выбор двигателя.

          Выбираем двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, имеющий следующие паспортные данные (табл. 1).

                                                                                                         Таблица 1.

 

1.13.Определим передаточное отношение редуктора:

,

где – номинальная угловая скорость вращения двигателя.

Следовательно

.

1.14.Принимаем передаточное отношение редуктора из стандартного ряда передаточных чисел:

i_р.ст =16 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.РАСЧЁТ И ПОСТРОЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ. 

    2.1.Определяем сопротивление якоря горячее:

 Ом,

где τ – перегрев обмоток двигателя относительно начальной температуры (15°С), град. Принимаем  τ = 75°С.

1.16.Определяем коэффициент полезного действия при номинальной нагрузке:

.

2.2.Определяем коэффициент ЭДС двигателя

.

2.3.Определяем номинальный момент на валу двигателя

 Н·м.

2.4.Определяем электромагнитный момент, соответствующий номинальному току:

 Н·м.

2.5.Определяем момент трения на валу электродвигателя

 Н·м.

2.6.Определяем скорость идеального холостого хода

 рад/с.

2.7.Определяем скорость вращения по ступеням

,

,

или

, 

. 

2.8.Определяем момент статический по ступеням.

В 1 квадранте (двигательный режим работы) момент ступени определяется по выражению

М _с1 = М _ступ1 + М _с.дв = 63.776 + 7.351 = 71.127 Н·м.

В 1 квадранте (генераторный режим работы – противовключение) момент ступени определяется по выражению

М _с2 = М _ступ2 + М _с.дв = 63.776 + 7.351 = 71.127 Н·м. 

2.9. Проведем расчет естественных электромеханической ω=f(I) и    механической ω=f(М) характеристик двигателя (рис.3).

Выражения для  расчета электромеханической и  механической характеристик имеют  вид

,  .

Т.к. между током и моментом у двигателя постоянного тока независимого возбуждения имеется линейная зависимость М=с·I, то для получения механической характеристики достаточно пересчитать по оси Х численные значения токов на значения моментов. Расчетные данные сведем в таблицу 2. 

     Таблица 2.

 

Рисунок 3 Естественные электромеханическая ω=f(I) и механическая ω=f(М) характеристики двигателя 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.РАСЧЁТ И ВЫБОР ПО КАТАЛОГУ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ИЛИ ПУСКОВЫХ И РЕГУЛИРОВОЧНЫХ РЕОСТАТОВ.

 

3.1.Определяем наибольшие пусковые ток и момент. Для двигателей обычного исполнения эти величины определяются из условия

I _пуск  = (1.5 ÷ 3) ∙ I _н =3∙ I _н = 3 ∙ 64 = 192 А,

М _пуск  = с ∙ I _пуск = 1.431 ∙ 192 = 274.83  Н·м.  

3.2. Определяем ток и момент переключения из условия

I _пер = 1.2 ∙ I _н = 1.2 ∙ 64 = 76.8 А,

 Н·м.

3.3. Определяем необходимые сопротивления якорной цепи для пусковых и рабочих ступеней характеристик:

Сопротивление якорной цепи для пусковой характеристистики (пуск в одну ступень):

     В момент пуска ω = 0 , следовательно:

А требуемое  добавочное сопротивление якорной  цепи для первой ступени пусковой характеристики равно:

 Ом. 

Определяем необходимые  сопротивления якорной цепи для  рабочих ступеней.

     Для первой рабочей ступени при моменте нагрузки М_с1 = 71.127 Н·м необходимо обеспечить скорость ω_и1= 134.041 рад/с. Добавочное сопротивление ступени определяется из выражения  

,  

 

R _{я .ст1}= 0.566 Ом.

 Ом. 
 
 

      Для второй рабочей ступени  при моменте нагрузки М_с2 = 71.127 Н·м необходимо обеспечить скорость ω_и2 = 33.51 рад/с. Добавочное сопротивление ступени определяется из выражения  
 

,  

 Ом.

 Ом.

3.4. Для полученных значений добавочных сопротивлений построим рабочие механические характеристики по ступеням. Расчетные данные сведем в табл.3. 

Таблица 3.

По данным табл.3 строим пусковые, первой, второй и третьей ступени механические характеристики (см. рис.4).

Рисунок 4 Механические характеристики двигателя:

1 – первая ступень  пусковой характеристики

2 – рабочая характеристика первой ступени

3 – рабочая характеристика второй ступени

3.5.Определяем токи по ступеням:

                        для первой ступени

 А.

                        для второй ступени 

                                              А.

Сопротивления R_ст1 и R_ст2 включены последовтельно

3.6.Определяем продолжительности включений.

.

Определяем продолжительность  включения для ступеней:

%;

%.

3.7.Определяем расчетные токи, средние за время работы:

 А.

 А;

3.8. Определяем каталожный ток для каждой ступени:

А;

А;

      4.Выбор ящика сопротивлений.

                          А.

4.1. Выбираем ящики сопротивлений по наибольшему току, удовлетворяющему условию I_доп > I_{кат.расч}:

R_ст1 = 0.314 Ом,    R`_ст2 = 2.896 Ом.  

Для первой ступени выбираем ящик сопротивлений №80

Соединяем 4 сопротивления  последовательно, каждое по 0.080 Ом 

Схема соединения элементов показана на рис.5 

 

Рисунок 5 Схема соединения элементов для R_ст1 

Для второй ступени  выбираем ящик сопротивлений №75

Соединяем 39 сопротивлений  последовательно, каждое по 0.075 Ом 

 

 

Рисунок 6 Схема соединения элементов для R`_ст2 

4.2. Расчет электромеханических и механических характеристик для двигательного и тормозного режимов.

      Так как полученные значения  сопротивлений практически не  отличаются от расчетных, то  не будем проводить пересчет механических характеристик двигателя.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5.РАСЧЁТ МЕХАНИЧЕСКИХ  ХАРАКТЕРИСТИК  РАБОЧИХ РЕЖИМАХ И В РЕЖИМЕ ТОРМОЖЕНИЯ ПРОТИВОВКЛЮЧЕНИЕМ. 

5.1.После работы на двух заданных скоростях (ω_и1 и ω_и2) двигатель необходимо затормозить до нулевой скорости.

      Примем  торможение противовключением. Расчёт механической характеристики торможения противовключением проводится на основании выражения:

.

Определяем необходимое  сопротивление якорной цепи для  режима торможения противовключением. Для этого режима работы при начальном моменте торможения М, равному М = М_пуск = 183.22 Н·м, необходимо обеспечить скорость  ω = ω_и2 = 33.52 рад/с.Добавочное сопротивление ступени определяется из выражения

,

 

,

R_дв.гор+ R_пв = 0.896 Ом;

R_дт=10.75 

Данные для  построения характеристики торможения противовключением заносим в табл.4.

     Таблица 4.

 

Механические  характеристики для полного цикла  работы двигателя при активном характере нагрузки производственного механизма представлены на рис.7.

Рисунок 7 Механические характеристики полного цикла работы

1 – первая ступень  пусковой характеристики

2 – рабочая характеристика  первой ступени

3 – рабочая характеристика  второй ступени

4 – характеристика  торможения противовключением 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6. РАСЧЁТ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ω=f(t), М=f(t) ЗА ЦИКЛ РАБОТЫ И ПОСТРОЕНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ ДИАГРАММЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА. 

6.1. Расчет переходных процессов проводим по выражениям

,

,

,

где М_нач, I_нач, ω_нач – начальные значения соответственно момента, тока и скорости;

М_кон, I_кон, ω_кон – конечные значения соответственно момента, тока и скорости;

t – текущее время, с;

 – электромеханическая постоянная  времени, с;

J_Σ – суммарный момент инерции, кг·м²;

;

k=(0.5÷1.3) – коэффициент, учитывающий момент инерции редуктора, принимаем k=1.3;

J_дв – момент инерции двигателя, кг·м²;

J_мех – момент инерции механизма, кг·м²;

 – передаточное число редуктора;

R_i – суммарное сопротивление якорной цепи на соответствующей характеристике, Ом;

с – коэффициент  ЭДС двигателя, .

 кг·м².

6.2.Рассчитываем переходные процессы                 

     Характеристика  пусковой ступени

      R_япуск1 = 1.146 Ом;

  с;

М_нач = М_пуск= 274.83 Н·м;   М_{кон.фикт}=М_ст1 = 71.127 Н·м.

При расчете  переходного процесса М=f(t) для первой пусковой характеристики в качестве конечного значения момента берется величина М_{кон.фикт}.

ω_нач=0;

рад/с.

Полученные значения начальных, конечных значений момента  и скорости подставляем в выражения  для расчета переходных процессов.