Электромеханические системы

Министерство  образования Российской Федерации

Томский политехнический университет 
 
 
 

Факультет: АВТ

Кафедра: ИКСУ

Группа: 8А02 
 
 
 

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ  ЗАПИСКА 

к курсовому  проекту по дисциплине

«Электромеханические  системы» 

на тему:

«»

вариант 8 
 
 

Выполнила      Иванова Е.В 

Руководитель     Розум Д. И. 
 
 
 
 
 

Томск – 2003 г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

    Спроектировать  и исследовать электропривод  постоянного тока с транзисторным  преобразователем для второй степени  подвижности промышленного робота с кинематической схемой, представленной на рис. 1. Алгоритм функционирования робота (привода) представлен в виде нагрузочной диаграммы на рис. 2. Обеспечить следующие показатели качества системы: tпп £ 1 с., s £ 10%.

    

    Рис.1 Кинематическая схема промышленного робота

    

    Рис. 2 Нагрузочная диаграмма

    Исходные  данные:

    Исходные  данные представлены в табл.1.

    Таблица.1 Исходные данные

j2, рад v2, рад/с e2, рад/с2 l2, м m2, кг j3, рад v3, рад/с e3, рад/с2 l3, м m3, кг j4, рад v4, рад/с e4, рад/с2 l4, м m4, кг mгр, кг
4p/9 3p/8 3p/8 0,48 4,4 5p/9 p/2 p/2 0,3 3,9 2p/3 p p 0,26 3,6 20

 

     Введение

 

    Проектирование  электромеханической системы во многом сводится к проектированию электроприводов. В свою очередь, проектирование электроприводов  состоит из выбора электродвигателя, который определяет преобразовательную часть системы, выбора трансформатора и коммутирующей аппаратуры, выбора схемы преобразователя и расчета его элементов, синтеза системы управления. Выбор перечисленных элементов ЭМС производится по каталогам [7].

    Проектирование  системы управления осуществляется в следующем порядке:

  • на основании технических условий и динамических характеристик объекта регулирования выбирают первый вариант устройства управления и элементы информационно-измерительной системы;
  • устанавливают упрощенную структурную схему и выбирают схему и место включения корректирующих и усилительных устройств;
  • по заданным показателям качества и точности регулирования находят желаемую передаточную функцию или желаемую логарифмическую амплитудно-частотную характеристику разомкнутой системы;
  • определяют тип и параметры корректирующих устройств и принимают их конструктивное исполнение;
  • устанавливают окончательную структурную схему системы, определяют расчетным путем динамические характеристики системы и сравнивают их с техническим заданием.

    Структура системы управления электроприводом  и выбор датчиков внутренней информации во многом определяется типом электродвигателя. В настоящее время в электроприводах  промышленных роботов и станков  с ЧПУ преобладают электродвигатели постоянного тока с питанием от тиристорного преобразователя или транзисторного преобразователя с широтно-импульсным управлением. Находят применение асинхронные, синхронные и вентильные электродвигатели с питанием от автономных инверторов.

    Цифровые следящие системы характеризуются наличием квантования сигналов, как по времени, так и по уровню. Системы, в которых имеет место только квантование по времени, называют импульсными системами. Наличие квантования по уровню придает системе существенно нелинейный характер. Однако во многих случаях, например, когда используются многоразрядные цифровые датчики, эффектом квантования по уровню можно пренебречь и рассматривать систему как импульсную, в которой осуществляется квантование только времени.

    Выбор чувствительного элемента зависит от общих требований, предъявляемых к следящим системам, прежде всего от требуемой точности в статических режимах. Ошибка системы в статических режимах, как и в любых других, зависит от управляющих и возмущающих воздействий, от параметров системы и их отклонений, а также от погрешностей элементов системы. Точность датчиков должна быть не ниже точности, представляемой к системе. Важными параметрами являются также диапазон регулирования, максимальная скорость и ускорение на валу нагрузки, характер нагрузки, габариты и надежность. Учитываются такие факторы, как наличие тех или иных источников питания, величина потребляемой датчиками мощности, диапазон измеряемой величины, уровень шума. В соответствии с указанными требованиями выбирают измерительные элементы, обеспечивающие точность в заданном диапазоне работы [6].

 

     1 Выбор элементов  силовой части  ЭМС

    1.1 Выбор двигателя

 

    Выбор электродвигателя является одним из основных этапов проектирования системы. Это объясняется тем, что двигатель, с одной стороны, определяет тип, параметры и  мощность предшествующих элементов системы: преобразователя, трансформатора и пускорегултрующей аппаратуры. С другой стороны, именно от двигателя зависят динамические качества системы, которые он должен обеспечить. Никакая система управления не может создать требуемый момент, частоту вращения, ускорение, если они не обеспечены электродвигателем.

    В процессе работы вследствие изменения  конфигурации манипулятора может сильно измениться момент нагрузки на валу электродвигателя. Поэтому электродвигатель должен иметь хорошую перегрузочную способность, а схема управления должна обеспечить стабилизацию частоты вращения. С этой точки зрения целесообразно использовать электродвигатели постоянного тока или вентильные электродвигатели. Изменение момента инерции нагрузки, связанное с изменением конфигурации манипулятора, предъявляет жесткие требования к динамическим характеристикам электродвигателей. Наряду с электродвигателями классического исполнения находят применение электродвигатели с полым якорем и с дисковым якорем [7].

    Предварительный расчет мощности электродвигателя осуществляем с помощью следующей зависимости:

    

    где  Ммех, wмех – заданные момент и частота вращения механизма;

                kу – коэффициент, учитывающий необходимость создания ускорений, kу = 1,2 – 2,5;

                kз – коэффициент запаса, учитывающий возможность работы электродвигателя с повышенным моментом нагрузки, kз = 1,1 – 1,3;

                Мст.экв – эквивалентный момент нагрузки, определяемый по диаграмме нагрузки;

                hред – коэффициент полезного действия передаточного механизма (редуктора), hред = 0,8 – 0,96 [7].

    Примем  kу=1,3, kз = 1,2, hред = 0,85.

    Считают, что система получит оптимальное  ускорение в том случае, когда  на валу для преодоления момента  нагрузки используется половина вращающего момента двигателя, а вторая половина затрачивается на преодоление момента инерции ротора с редуктором и нагрузкой:

    

    где Мст j – статический момент на j-ом участке нагрузочной диаграммы;

                tj – длительность j-го участка нагрузочной диаграммы;

                tц – длительность цикла нагрузочной диаграммы. [7]

    Определим, чему равна длительность цикла tц:

    

    Статический момент Мст определяется по формуле (1.1.4):

    

    где Мстеп – момент степени подвижности;

                Мгр – величина момента переносимого груза.

    Момент  степени подвижности Мстеп для второй степени подвижности манипулятора определяется по формуле:

    

.

    Подставив соответствующие исходные данные из табл.1 в (1.1.5), получим:

    

    Момент  переносимого груза определяется по формуле:

    

.

    Подставив соответствующие исходные данные из табл. 1 в (1.1.7), получим:

    

    Тогда

    Подставим необходимые данные в (1.1.2) и определим величину эквивалентного момента нагрузки Мст. экв:

    

    Подставив найденные значения в (1.1.1), найдем приблизительную  мощность нашего двигателя:

    

    В [4] выберем ДПТ с дисковым якорем ПЯ – 250Ф. Его основные технические данные представлены в табл.2.

    Таблица 2 Технические данные ДПТ ПЯ – 250Ф

Мном, Н×м Рном, ВТ Uяном, В Iяном, А nном, об/мин Тэ, с Ja, кг×м2 КПД, % m, кг
08 250 36 10 3000 0,015 2,9×10-4 70 7
 

    Двигатель имеет встроенный электронный импульсный фотоэлектрический датчик, который расположен на валу двигателя.

    Рассчитаем  остальные параметры двигателя:

  • номинальный момент электродвигателя Мном определяется по формуле (1.1.12):

    

  • потокосцепление обмотки якоря с полем основных полюсов yad определяется по (1.1.13):

    

  • сопротивление обмотки якоря Rя определяется по (1.1.14):

    

  • индуктивность обмотки якоря Lя определяется по формуле (1.1.15):

    

  • пусковой  ток Iпуск рассчитаем по (1.1.16):

    

  • определим пусковой момент Мпуск по (1.1.17):

    

    Проверочный расчет выполним, рассчитав развиваемое  двигателем ускорение на нагрузке, т.к. требования по ускорению не заданы. В [7] значение требуемого момента вращения электродвигателя рекомендуется находить следующим образом:

    

    где  Jмех, Jдв – момент инерции вращающихся частей механизма и двигателя;

                Jред – момент инерции промежуточной ступени редуктора, приведенный к валу электродвигателя;

                eдв – допустимое ускорение, развиваемое двигателем;

                iред – передаточное число механического редуктора.

    Определим частоту вращения электродвигателя:

    

.

    Тогда передаточное число механического редуктора будет равно:

    

    По  ГОСТ 2185-66 (с изменениями 1992 г.) выбираем цилиндрический трехступенчатый редуктор с передаточным числом, равным 200, и  КПД, равным 0,8.

    В [7]рекомендуется принимать Jред = 0,05 – 0,25 Jдв. Примем:

    

    Рассчитаем  момент инерции вращающихся частей механизма Jмех по (1.1.22):

    

    Определим eдв по (1.1.23):

    

    Подставив численные значения в (1.1.18), найдем требуемое  значение момента электродвигателя:

    

    Согласно [7] номинальный момент электродвигателя не должен быть меньше найденного по (1.1.19). Допускается превышение номинального момента над расчетным по (1.1.19) в 1,15 – 1,4 раза. Для выбранного двигателя  , что свидетельствует о том, что данный двигатель подходит для нашей системы.

 

     1.2 Выбор  трансформатора

 

    В [7] расчетная мощность трансформатора определяется по формуле (1.2.1):

    

    где Iяmax – максимальное значение тока якоря, обеспечиваемое преобразователем при максимальной частоте вращения якоря, Iяmax=Iпуск;

                ki – коэффициент, учитывающий отклонение тока от прямоугольной, ki = 1,05 – 1,1;

                ks – коэффициент, учитывающий схему соединения вентилей (для трехфазного двухполупериодного выпрямления ks = 1,045);

                kr – коэффициент, учитывающий падение напряжение на элементах преобразовательного блока, kr = 0,05 – 0,1;

                kc – коэффициент, учитывающий возможное снижение напряжение сети, при 10%-ном возможном снижении напряжения сети

                ka - коэффициент, учитывающий неполное открытие вентилей преобразователя, Принято при согласованном управлении брать amin = 15°.

    Примем  ki = 1,07;

         ka = 1,0353;

                ks = 1,045;

                kс = 0,9;

                kr = 0,07.

    Тогда, подставив численные значения в (1.2.1), найдем расчетную мощность трансформатора:

    

    По [8] выбираем трансформатор ТСЛ – 0,63, параметры которого приведены  в табл. 3. 
 
 

    Таблица 2 Параметры трансформатора ТСЛ – 0,63.

Sном, Вт U1л, В fс, Гц U2л, В cosj Pкз, Вт Uк % КПД, % Схема соединения обмоток
630 380 50 27,5 0,8 80 6 92,5 Y/Y
 

    Рассчитаем  основные параметры трансформатора по [1]:

    • напряжение короткого замыкания:

    

    • ток короткого  замыкания Iкз;

    • активное  сопротивление первичной обмотки:

    

    где m – число фаз;

    • полное сопротивление короткого замыкания:

    

    • реактивное  сопротивление первичной обмотки:

    

    • индуктивность первичной обмотки:

    

    • коэффициент трансформации:

    

    • активное  сопротивление вторичной обмотки:

    

    • реактивное  сопротивление вторичной обмотки:

    

    • индуктивность вторичной обмотки:

    

 

 

     1.3 Выбор  элементов преобразователя

 

    На  рис. 3 представлена принципиальная схема  силовой части привода [7]. Требуется  выбрать полупроводниковые элементы.

    

    Рис. 3 Транзисторный реверсивный преобразователь.

    Найдем  напряжение, приложенной к каждому из транзисторов VT1 – VT4:

    

    Согласно [7] номинальный ток транзистора  не должен быть меньше номинального тока якоря (Iяном = 10 А).

    По [2] выбираем транзисторы КТ827В, параметры  которых приведены в табл. 3.

    Таблица 3. Основные параметры транзисторов КТ827В

Iкпост, А Iкmax, А Iб, А Uкэ, В Uкб, В Uэб, В Рк, Вт Rбэ, Ом h21
20 40 0,5 60 60 5 125 1000 750
 

    Для защиты транзисторов VT1 – VT4 от перенапряжения в момент их закрытия выбираем диоды VD1 – VD4, прямой ток через которые не должен быть меньше номинального тока якоря, а обратное напряжение – не меньше напряжения на транзисторе.

    По [3] выбираем диоды 2Д252Б, параметры которых  представлены в табл. 4.

    Таблица 4. Основные параметры диодов 2Д252Б

Iпр.ср., А Iимп, А Uобр. max, В Ррас., Вт
30 60 100 28
 

    Среднее значение тока, протекающего через  выпрямительные диоды VD5 – VD10 при номинальном моменте электродвигателя в трехфазной мостовой схеме определяется по (1.3.2) [7].

    

    где m2 – число фаз трансформатора;

                Iур – уравнительный ток, Iур = (0,05-0,1)Iяном  (1.3.3) [7].

    Примем  Iур = 0,1Iяном =1 А. Тогда, согласно (1.3.3), получим:

    

    Найдем  максимально допустимое обратное напряжение по (1.3.5) [7]:

    

    где К1 – коэффициент, определяемый видом защиты. В [7] рекомендовано принимать К1 = 1,25;

                К2 – коэффициент перенапряжений, определяемый структурой преобразователя, согласно [5] К2 = 1,045;

                Кзн – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможные повышения напряжения сети и коммутационные перенапряжения, Кзн = 1,5 – 1,8 [7]. Примем Кзн = 1,6;

                Еd0 – максимальное значение выпрямленного напряжения на выходе преобразователя в режиме холостого хода. Согласно [7] Еd0 определяется по (1.3.6):

    

    Тогда согласно (1.3.4), имеем:

    

    По [3] выбираем диоды Д214, параметры  которых представлены в табл. 5.

    Таблица.5 . Основные параметры диодов Д214

Iпр.ср, А Uобр, В Fр, кГц
10 100 1,1
 

    В качестве фильтрующего конденсатора берем  конденсатор К57-13, 20000мкФх63 В [7].

 

     1.4 Выбор  коммутирующей аппаратуры  и элементов защиты

 

    На  рис. 4 представлена схема силовой  части привода с элементами коммутации и защиты.

    Рис.4 Схема подключения ДПТ

    В качестве коммутирующей аппаратуры выберем контакторы. На рис. 4 они обозначены как ЛК 1-3. Контакторы предназначены для включения и отключения силовых электрических цепей. В электроприводах контакторы работают в продолжительном режиме [7].

    В качестве контакторов выбираем контакторы типа МК-1-11 [7], имеющие следующие параметры:

    Iн = 40 А  Uн = 220В  tвтяг = 0,08 с.  tотп = 0,05 с.

    Контактор данного типа имеет один силовой  контакт.

    Предохранители  предназначены для защиты сетей  низкого напряжения от недопустимых длительных перегрузок и от коротких замыканий [7].

    Рассчитаем  предохранительную вставку ПП 1-3. Номинальный ток плавкой вставки  определяется по формуле (1.4.1):

    

    где Iя – номинальный ток якоря;

      Кн – коэффициент надежности [7].

    При постоянной нагрузке Кн = 1,1 – 1,2. При переменной нагрузке, например, при пуске или реверсе электродвигателя, рекомендуют принимать Кн = 2, - 2,5 [7].

    Примем  Кн = 2. Тогда номинальный ток плавкой вставки согласно (1.4.1) будет равен

    

    В [7] выбираем вставку типа НПН – 60, имеющую Iном = 25 А.

 

     2 Выбор элементов  информационно-измерительной  системы

    2.1 Выбор датчиков  тока, скорости и  положения