Электропривод постоянного тока

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение высшего  профессионального образования

“НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ”

Энергетический институт

 

 

 

 

Кафедра ЭПЭО

 

 

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД ПРОИЗВОДСТВЕННОГО  МЕХАНИЗМА

 

Пояснительная записка  к курсовому проекту

 

Вариант № 2  04  4

 

 

 

 

 

Исполнитель:                                                                   

студент группы 7А94                           _____________       В.Е. Карельский

                                                                       (подпись)                                                                     

                                                              _______________

                                                                         (дата) 

                                                                                                                                                                                 

Руководитель:

Доцент, кандидат техн. наук               ____________         Н.В. Кояин

                                                                      (подпись)                                 

                                                              ______________

                                                                        (дата) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Томск 2012

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ.	3
1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ.	4
2. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ  И ВЫБОР ЕГО ПО КАТАЛОГУ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ  НАИВЫГОДНЕЙШЕГО ПЕРЕДАТОЧНОГО  ОТНОШЕНИЯ РЕДУКТОРА.	5
3. РАСЧЁТ И ПОСТРОЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ.	7
4. РАЧЕТ И ВЫБОР ПО КАТАЛОГУ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ИЛИ ПУСКОВЫХ И РЕГУЛИРОВОЧНЫХ РЕОСТАТОВ.	9
5. РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ  ХАРАКТЕРИСТИК  ДЛЯ ДВИГАТЕЛЬНОГО И ТОРМОЗНОГО РЕЖИМОВ.	13
6. РАСЧЁТ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ω=f(t), М=f(t) ЗА ЦИКЛ РАБОТЫ И ПОСТРОЕНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ ДИАГРАММЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА.	16
7.ПРОВЕРКА ДВИГАТЕЛЯ ПО НАГРЕВУ.	23
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.	27
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ	28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

Основной целью данной работы является закрепление и систематизация знаний по автоматическому электроприводу, развитие навыков самостоятельной  работы с использованием специальной  технической литературы.

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

 

1.   Данные для построения:

n_м1  =-35 об/мин – частота вращения в 1 рабочей точке;

t₁ = 20 с – время работы в 1 точке;

n_м2 = 95 об/мин – частота вращения в 2 рабочей точке;

t₂ = 30 с – время работы в 2 точке;

t_п = 100 с – время паузы.

Характер  нагрузки – реативная нагрузка;

М_мех.=450 Н×м – момент нагрузки (механизма) на валу двигателя;

η_п. = 0.9 – коэффициент полезного действия передачи;

Ј_мех. = 50 кг×м² – момент инерции механизма.

 

1.2  Построение тахограммы и нагрузочной диаграммы производственного       механизма.

     Рисунок 1. Тахограмма производственного механизма

 

Рисунок 2. Нагрузочная диаграмма производственного механизма для активной нагрузки

 

2. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ  И ВЫБОР ЕГО ПО КАТАЛОГУ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ  НАИВЫГОДНЕЙШЕГО ПЕРЕДАТОЧНОГО  ОТНОШЕНИЯ РЕДУКТОРА. 

2.1  Продолжительность включения.

%

Выбираем стандартное (15%, 25%, 40%, 60%), ближнее по величине значение продолжительности  включения.

ПВ_кат =40%

2.2  Диапазон регулирования.

2.3  Среднеквадратичное значение мощности за время работы на основании тахограммы и нагрузочной диаграмм.

= ,

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.

 

2.3.1  Значения угловых скоростей по ступеням:

- первая ступень

рад/с,

- вторая ступень

рад/с.

 

2.3.2  Мощность на i-м участке работы:

- первая ступень

 кВт,

- вторая ступень

 кВт.

 

2.3.3  Коэффициент ухудшения теплоотдачи по ступеням.

,где

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

2.3.3.1  Для первого участка:

,

2.3.3.2  Для второго участка:

.

2.4  Пересчет среднеквадратичной мощности двигателя на выбранное стандартное значение ПВ=40%.

 

 кВт,

2.4.1  Расчетная мощность электрического двигателя.

,

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

η_мех=0.9 - КПД передачи при n_макс,

Принимаем k_З=1.3.

кВт.

2.5  Выбираем двигатель постоянного тока независимого возбуждения типа Д-31, имеющий следующие паспортные данные (таблица 1).

Таблица 1 –  паспортные данные выбранного ДПТНВ

Тип	UH, В	РН, кВт	nН, об/мин	IH, A	Rдв. , Ом	Jдв. , кг×м2
Д-31	220	6,8	880	37	0,42	0,3

 

2.6  Передаточное отношение редуктора.

 

 

где - номинальная угловая скорость вращения двигателя.

 

 рад/с

 

Принимаем передаточное отношение редуктора  из стандартного ряда передаточных чисел (при условии, что  i_р.ст ≤ i_р ).

  i_р.ст = 8

 

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

3.1  Сопротивление якоря горячее.

 Ом,

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

 

3.2  Коэффициент полезного действия при номинальной нагрузке.

.

3.3  Коэффициент ЭДС двигателя.

.

3.4  Номинальный момент на валу двигателя.

 Н·м.

3.5  Электромагнитный момент, соответствующий номинальному току.

 Н·м.

3.6  Момент трения на валу электродвигателя.

 Н·м.

3.7  Скорость идеального холостого хода.

 рад/с.

3.8  Скорость вращения по ступеням.

;

;

или

;

.

3.9  Момент статический по ступеням для реактивной нагрузки.

3.9.1  I и III квадранты работы(двигательный режим)моменты ступени определяются по выражению:

 

 

где М_мах=М_мех=450 Н∙м.

 

3.10  Расчет естественных электромеханической ω=f(I) и механической ω=f(М) характеристик двигателя (рисунок 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 сведены в таблицу 2.

                  Таблица 2.

I, A	0	Iн =37	2· Iн=74
M, Н·м	0	80,22	160,44
ω, рад/с	101,5	92,15	82,84

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

4. РАЧЕТ И ВЫБОР ПО  КАТАЛОГУ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ  ИЛИ ПУСКОВЫХ И РЕГУЛИРОВОЧНЫХ  РЕОСТАТОВ.

 

4.1  Наибольшие пусковые ток и момент определяются из условий:

I _пуск  =(1,5÷2)∙I _н =2∙ I _н =2∙37=74 А;

М _пуск  =с∙ I _пуск =2,17∙74=160,44  Н·м.

4.2  Ток и момент переключения определяются из условий:

I _пер =1.2∙ I _н =1.2∙37=44,4 А;

М_пер=с∙I_пер= 2,17·44,4=96,26 Н·м.

4.3  Необходимые сопротивления якорной цепи:

4.3.1 Определяем необходимые сопротивления якорной цепи для пусковых и рабочих ступеней характеристик(пуск в одну ступень):

 

_{Расчет  добавочных сопротивлений  производим по механической характеристики, представленной на рисунке 4.}

 

• Рассчитаем пусковое сопротивление(R_я.пуск=R₀₁)(оно же для первой рабочей ступени)

       ,  ,

                                          R _{я .ст.1}  = R _{я .пуск}  = 4,92 Ом.

Определим добавочное сопротивление для первой рабочей ступени:

 Ом.

 

 

• Рассчитаем первое промежуточное сопротивление(R _я.пр.1 =R₂₃):

,  ,

R _я.пр.1  = 3,83 Ом.

 

 

Добавочное  первое промежуточное сопротивление :

 Ом.

• Рассчитаем второе промежуточное сопротивление (R _я.пр.2=R₄₅):

Для определения второго промежуточного сопротивления необходимо рассчитать скорость в точке 4, которая равна скорости в точке 3(ω₃= ω₄)

, 

 

 

Зная  скорость в точке 4 определяем второе промежуточное сопротивление:

,  ,

R _я.пр.2  = 2,39 Ом.

 

Добавочное  второе промежуточное сопротивление:

 Ом.

 

 

• Рассчитаем сопротивление для второй рабочей ступени(R_я.ст2=R₆₇)

,  ,

R _{я .ст2}  = 1,49 Ом.

 

Добавочное  сопротивление для второй рабочей  ступени:

 Ом.

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

Таблица 3

Пусковая характеристика и первая рабочая ступень
М, Н·м	0	Мпер=-96,26	М1=-68,93
ω, рад/с	-101,5	0
Первая  промежуточная ступень
М, Н·м	0	Мпер=100	Мпуск=160,44
ω, рад/с	101,5	19,99
Вторая  промежуточная ступень
М, Н·м	0	Мпер=100	М пуск =160,44
ω, рад/с	101,5	50,63	19,99
Вторая рабочая ступень
М, Н·м	0	М с =68,93	М пуск =160,44
ω , рад/с	101,5		50,63

По данным таблицы 3 строим пусковые регулировочные  и промежуточные механические характеристики (см. рисунок 4).

 

 

Рисунок 4 - Механические характеристики двигателя:

01 –пусковая характеристика и первая рабочая ступень; 23 – первая промежуточная  характеристика; 45 – вторая промежуточная характеристика;  67 – вторая рабочая ступень.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.4 Определяем токи по ступеням:

• для первой ступени

                        I_c1=M_c1/c=68,93/2,17=31,79 A;

• для второй ступени

                        I_c2=M_c2/c=68,93/2,17=31,79 A.

 

4.5  Продолжительность включения:

 

_{4.6 Расчётные токи, средние за время работы:}

А.

А.

 

_{4.7 Каталожный ток для каждой ступени:}

А.

А.

 

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

R_д.ст1=4,37 Ом,         R _д.ст2=0,94 Ом

Ом,

 – работает только на  первой ступени;

 – работает всё время .

 

Выбираем  ящик сопротивлений №105, технические  характеристики которого представлены в таблице 4.

 

Таблица 4 –  технические характеристики ящика  сопротивлений №105.

Продолжительный ток, А	Сопротивление ящика, Ом	Сопротивление элемента, Ом	Число элементов
33	4.2	0.105	40

 

• Схема соединений резисторов для первой ступени представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 – схема соединений резисторов для первой ступени.

^*Вначале соединены последовательно 32 резистора.

Ом

• Для второй ступени соединяем последовательно 9 резисторов:

 

 Ом.

 

5. РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ   ХАРАКТЕРИСТИК  ДЛЯ ДВИГАТЕЛЬНОГО И ТОРМОЗНОГО РЕЖИМОВ.

5.1  Делаем пересчет механических характеристик двигателя для полученных значений сопротивлений. Полученные значения заносим в таблицу 5.

R_д.ст1’=3,43 Ом,         R_д.ст2=0,945 Ом

R _д.ст1= R_д.ст1’+ R_д.ст2=3,43+0,945=4,375 Ом

R_я.ст1= R_д.ст1 +R_дв.гор=4,375+0,55=4,925 Ом (было 4,92 Ом)

R_я.ст2= R_д.ст2 +R_дв.гор =0,945+0,55=1,495 Ом (было 1,49 Ом)

5.2  Пересчет механических характеристик с учетом новых сопротивлений.

5.2.1 Пересчет скорости для первой рабочей ступени:

сравниваем  на сколько отличается скорость от первоначальной

Так как 0,1%<5 %, то выбранное каталожное сопротивление нас удовлетворяет.

5.2.2  Пересчет скорости для второй рабочей ступени:

сравниваем  на сколько отличается скорость от первоначальной

Так как 0,123%<5 %, то выбранное каталожное сопротивление нас удовлетворяет.

Таблица 5.

Пусковая характеристика и первая рабочая ступень
М, Н·м	0	Мпер=-96,26	М1=-68,93
ω, рад/с	-101,5	0
Первая  промежуточная ступень
М, Н·м	0	Мпер=100	Мпуск=160,44
ω, рад/с	101,5	19,99
Вторая  промежуточная ступень
М, Н·м	0	Мпер=100	М пуск =160,44
ω, рад/с	101,5	50,63	19,99
Вторая рабочая ступень
М, Н·м	0	М с =68,93	М пуск =160,44
ω , рад/с	101,5		50,445

 

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

При реактивном характере нагрузки производственного механизма примем вид торможения – динамическое. Расчет механической характеристики при динамическом торможении проводится на основании выражения:

.

 R_ДТ=R₈₉(рисунок 6)

Определяем  необходимое сопротивление якорной  цепи для режима динамического торможения. Для этого режима работы при начальном  моменте торможения М, равному М=М_пуск=160,44 Н·м, необходимо обеспечить скорость  ω=ω_и2= 79,498 рад/с. Добавочное сопротивление ступени определяется из выражения

,  ,

R_дв.гор+ R_ДТ= 2,33Ом;

R_ДТ=2,33–0,55=1,78 Ом.

 

 

Данные для  построения характеристики динамического торможения заносим в таблицу 6.

Таблица 6.

М, Н·м	0	-160,44
ω, рад/с	0	49,768

Строим  механические характеристики полного  цикла работы двигателя при реактивном характере нагрузки производственного механизма (Рисунок 6).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6: Механические характеристики полного цикла работы двигателя:

01 –пусковая характеристика и первая рабочая ступень; 23 – первая промежуточная  характеристика; 45 – вторая промежуточная характеристика;  67 – вторая рабочая ступень, 89 – характеристика динамического торможения.

 

 

 

 

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=(1.5÷1.3) – коэффициент, учитывающий момент инерции редуктора,

принимаем k=1,4;

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  Переходные процессы первой рабочей ступени(пусковая характеристика – участок 01 – рисунок 6).

R_я.ст.1= R_я.пуск1=4.925 Ом;

  с;

Н·м; М_кон. = М_с2 = -68.93 Н·м.

  ω_нач=0 рад/с;

рад/с.

Полученные  значения начальных, конечных значений момента и скорости подставляем  в выражения для расчёта переходных процессов:

 

Полученные  расчетные значения заносим в  таблицу  7.

Таблица 7.

t, с	0	0,9	1,8	2,7	3,6	4,5	5,8
М, Н∙м	-96,934	-82,6	-75,6	-72,19	-70,52	-69,7	-69,93
ω, рад/с	0	-14,99	-22,31	-25,88	-27,62	-28,48	-29,289
n, об/мин	0	-143,23	-213,15	-247,28	-263,94	-272,08	-277,08

 

По данным таблицы 7 строим графики переходных процессов М=f(t) и n= f(t) для режима работы на первой рабочей ступени(пусковой характеристики):

Рисунок 7 – Переходные процессы М=f(t) и n= f(t) для пуска двигателя, с выходом на рабочую скорость первой рабочей ступени.(t_пп=5,8с –время переходного процесса.)

 

6.3 Переходные процессы двух промежуточных ступеней, с выходом на вторую рабочую скорость(участки 23,45,67 рисунок 6).

• Первая промежуточная ступень:

R_я.пр1=3,83 Ом;

  с;

Н·м;  М_{кон.фикт} = М_с1 = 68,93 Н·м.

При расчёте переходного процесса М=f(t) для первой промежуточной ступени в качестве конечного значения момента берётся величина М_{кон.фикт} , а расчёт ведётся до значения момента равному М_{пер.принят}=100 Н·м.

       ω_нач= ω_И1=-29,289 рад/с; рад/с.

При расчёте переходного процесса ω=f(t) для первой промежуточной ступени в качестве конечного значения скорости берётся величина , а расчет ведётся до значения скорости, равной:

 рад/с.

 

Полученные  значения начальных, конечных значений момента и скорости подставляем  в выражения для расчёта переходных процессов:

 

 

Полученные  расчетные значения, для первой промежуточной ступени, заносим в таблицу 8.