Исходные данные для проектирования электропривода. Описание рабо- чей машины

 

Содержание

 

 

Введение………………………………………………………………………...4

1. Исходные данные для проектирования электропривода. Описание рабо-

чей машины……………………………………………………………………………5

2. Требования, предъявляемые к электроприводу………………………….6
3. Расчёт упрощённой нагрузочной диаграммы и предварительный расчёт

мощности двигателя…………………………………………………………………..7

4. Выбор электродвигателя и редуктора…………………………………….11
5. Расчёт приведённых статических моментов и моментов инерции систе-

мы: электропривод - рабочая машина……………………………………………….13

6. Предварительная проверка двигателя по нагреву………………………..15
7. Разработка разомкнутой системы электропривода……………………....16
8. Составление структурной схемы электропривода……………………….26
9. Разработка замкнутой системы электропривода…………......................32
10. Проверка электропривода по нагреву…………………………………….43
11. Заключение…………………………………………………………………44

Список использованных источников…………………………………………45         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Автоматизированный электропривод  получил в последние десятилетия интенсивное ускоренное развитие. Это определяется, в первую очередь, общим прогрессом машиностроения, направленным на интенсификацию производственных процессов, их автоматизацию, повышение точностных характеристик, связанных с обеспечением стабильности качества производимой продукции.

Современный электропривод определяет собой уровень силовой электровооружённости труда и является благодаря своим преимуществам по сравнению со всеми другими видами приводов основным и главным средством автоматизации рабочих машин и производственных процессов.

Широкая автоматизация механизмов на базе следящих систем электроприводов, систем с цифровым программным управлением и средств комплексной автоматизации – обширная и весьма важная развивающаяся область автоматизированного электропривода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Исходные данные для проектирования электропривода. Описание рабочей машины

 

Рабочая машина совершает возвратно-поступательное движение на длину L от одного крайнего положения до другого. Движение механизма с грузом происходит с установившейся рабочей скоростью V_1, возвратное движение без груза с установившейся скоростью V₂. В цикл работы механизма, кроме времени рабочего и возвратного движения, входит время пауз.

 

Рисунок 1 - Кинематическая схема рабочей машины

 

Таблица 1 - Исходные данные

Наименование показателя	Размерность	Значение
Масса механизма	mмех, кг	2200
Масса груза	mгр, кг	3000
Диаметр колеса	D, м	0,4
Диаметр цапфы	d, м	0,05
Длина перемещения	L, м	24
Скорость движения с грузом	Vраб, м/с	1,4
Скорость движения без груза	Vвозв, м/с	1,8
Допустимое ускорение с грузом	a1, м2/с	0,85
Допустимое ускорение без груза	a2, м2/с	0,95
Диапазон регулирования скорости в разомкнутой системе	Д	1:5,5
Продолжительность включения	ПВфакт, %	75

Дополнительные условия и требования:

а) напряжение питающей сети U_л=380 В;

б) частота питающей сети f_ном=50 Гц;

в) диапазон регулирования скорости замкнутой системы не менее 15:1;

г) требуемая точность поддержания скорости в замкнутой системе 5%.

2 Требования, предъявляемые к электроприводу

 

Основные требования, предъявляемые  к проектируемому электроприводу, являются:

а) обеспечение заданной производительности рабочей машины;

б) перемещение рабочего органа должно осуществляться с заданной скоростью, отклонение скорости не должно превышать 5% от заданного значения;

в) привод имеет регулирование скорости в заданном диапазоне;

г) ускорение рабочей машины не должно превышать заданного значения;

д) величина эквивалентной мощности, тока или момента должны быть в пределах 0,85 – 1,0 от номинальных значений;

е) выбранный тиристорный преобразователь и двигатель должны выдерживать допустимые длительные и кратковременные перегрузки.

 

 

 

3 Расчёт упрощённой нагрузочной диаграммы и предварительный расчёт мощности двигателя

 

На основании исходных данных могут  быть достаточно точно рассчитаны лишь статические нагрузки. Динамические нагрузки в значительной степени  зависят от параметров двигателя, который на данном этапе ещё не выбран. Некоторую часть динамических нагрузок можно учесть с помощью заданного допустимого ускорения исполнительного органа машины.

 

3.1 Построение тахограммы

 

На базе исходных данных рассчитывается и строится зависимость скорости рабочей машины от времени V(t).

 

Таблица 2 - Расчёт тахограммы

Рассчитываемый параметр	Расчетная формула	Движение с грузом	Движение                   без груза
Время пуска (торможения), с
Путь, проходимый при пуске, м
Время установившегося движения, с
Время работы, с
Угловая скорость вращения, рад/с

 

Суммарное время работы:

 с.

Время цикла:

 с.

Время паузы:

 c.

 

Рисунок Р.1 - Тахограмма

 

3.2 Построение нагрузочной  диаграммы

 

Таблица 3 - Расчёт нагрузочной диаграммы

Расчитываемый параметр	Расчетная формула	Результат расчета
		с грузом	без груза
Коэффициент, учитывающий трение реборд колес о направляющие, возникающие вследствие возможного перекоса в механизме	Кр=1,2…1,5	1,2	1,2
Коэффициент трения качения	f=0,0005…0,001	0,0005	0,0005
Коэффициент трения скольжения в подшипниках	μ=0,08…0,12	0,08	0,08
Статический момент рабочей машины, Н м

 

 

 

Продолжение таблицы 3
Момент инерции рабочей машины, кг м2	Jрм =J1+J2+…+ +(m1+m2+...)	Jрм = (2,2+ 3)·103· =208	J рм = =2,2·103 =88
Динамический момент, Н м
Результирующий момент рабочей машины, Н м	Мрм=Мрмст±Мрмдин	При пуске: Мрм=153+884=1037 При торможении: Мрм=153-884= -731	При пуске: Мрм= -(64,75+418)= =- 482,75 При торможении: Мрм= -(64,75 -418)= = 353,25

В таблице указаны следующие  обозначения:

m – масса деталей и узлов, опирающихся на подшипники, кг;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

d - диаметр цапфы, м;

J1, J2 – моменты инерции вращающихся элементов рабочей машины, кг∙м²;

D – диаметр колеса, м.

 

   Рисунок Р. 2 - Нагрузочная диаграмма моментов

                                              рабочей машины

 

3.3 Предварительный расчёт  мощности двигателя

 

3.3.1 Построение зависимости осуществляется по формуле:

.

 

Рисунок Р.3 - Зависимость

 

3.3.2 Определение среднеквадратичного значения мощности.

По нагрузочной диаграмме определяется среднеквадратичное значение мощности:

где Ррм i  - значение мощности на каждом i – ом участке, Вт.

3.3.3 Мощность двигателя для повторно-кратковременного  режима работы может быть приближённо определена по формуле:

, 

где - коэффициент, учитывающий остальные неучтенные динамические  нагрузки электропривода, ;

       ПВФАКТ – фактическое значение относительной продолжительности включения проектируемого электропривода, ПВФАКТ = 0,75;

       ПВСТ – ближайшее стандартное значение относительной продолжительности включения для электропривода, ПВСТ = 0,6.

  Вт.

 

 

4 Выбор электродвигателя и редуктора

 

4.1 Выбор двигателя

 

Двигатель выбирают несколько большей мощности, чем .

Паспортные данные для двигателя ПБСТ 62 приведены в таблице 4.

 

Таблица 4 - Паспортные данные для двигателя ПБСТ 62

Наименование показателя	Числовое значение	Размерность
Мощность номинальная,  Рном	4,7	кВт
Частота вращения, nном	1000	об/мин
Угловая скорость вращения, wном	104,7	рад/с
Ток  якоря номинальный,  Iном	24,0	А
Номинальное напряжение якоря, Uном	220	В
Номинальный момент,	46,6	Н·м
КПД,	87	%
Маховый момент,	1,03	кГс·м2
Обмоточные данные
Число витков обмотки якоря, Wя	351	витки
Сопротивление  обмотки  якоря  при  15°С , Rя	0,344	Ом
Сопротивление обмотки добавочных полюсов при 150С, RДОБ	0,114	Ом
Число витков обмотки возбуждения  на полюс, WОВД	2800	витки
Сопротивление обмотки возбуждения при 150С, RОВД	326	Ом

 

Число параллельных ветвей: 2а=2. Число полюсов: 2р=4.

Двигатель серии  ПБСТ62 выполняется с независимым возбуждением и он предназначен для работы в широко регулируемых приводах с диапазоном регулирования 1:2000  и выполняется со встроенным тахогенератором типа ТС – 1М.

Двигатель допускает перегрузку по току до 4I_ном в течении 10 секунд при номинальном возбуждении. Момент при этом должен быть не менее 3МНОМ при 1000 об/мин.

Двигатели – реверсивные. Допустимое число реверсов в час – не более 400 при условии, что среднеквадратичный ток якоря не превышает номинального.

Двигатель допускает  регулирование скорости вращения вверх  от номинальной. Частота вращения не должна превышать  3600 об/мин.

Двигатель допускает  работу с малыми скоростями вращения (0,5-1,5 об/мин) при номинальном возбуждении и моменте.

Таблица 5 - Основные данные тахогенератора типа ТС-1М

Наименование показателя	числовое значение	Размерность
Мощность номинальная, Рном	5	Вт
Номинальное напряжение якоря, Uном	100	Вольт
Частота вращения, nном	3000	об/мин
Тип возбуждения	постоянные магниты	-

 

4.2 Выбор редуктора

 

Передаточное число редуктора  определяется по формуле:

,

где Vуст – наибольшая скорость исполнительного органа рабочей машины, м/с.

.

Принимается в соответствии с ГОСТ передаточное число: i=12,5.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                

Выбирается редуктор цилиндрический двухступенчатый узкий горизонтальный общего назначения марки Ц2У-100. Редуктор предназначен для применения в макроклиматических районах с умеренным климатом.

Редуктор допускает кратковременные  перегрузки в 2,2 раза превышающие устанавливаемые стандартом нагрузки, возникающие при пусках и остановах двигателя.

 

Таблица 6 - Паспортные данные для редуктора Ц2У-100-12,5-23ЦУ2

Межосевое расстояние, мм	тихоходной ступени	быстроходной ступени
	100	80
Номинальный крутящий момент на тихоходном валу, Нм	500
Номинальная радиальная нагрузка на выходном валу, Н	тихоходном	быстроходном
	2000	125
Передаточное число i	12,5
КПД ,%	97
Масса не более,  кг	35

 

 

 

5 Расчёт приведённых статических моментов и моментов инерции системы: электропривод - рабочая машина

 

5.1 Расчёт приведённых статических  моментов

 

Если привод работает в  двигательном режиме, то статические  моменты рабочей машины приводятся к валу двигателя по формуле:

,

где М_рм   - статические момент рабочей машины, H∙м;

      i - передаточное число;

      h - суммарные КПД механизма.

.

.

Если привод работает в генераторном режиме:

.

 

5.2 Расчёт приведённых моментов инерции

                    

При приведении моментов инерции к валу двигателя исходят из равенства запасов кинетической энергии в реальной и эквивалентной системах.

Суммарный приведенный момент инерции системы может быть рассчитан по формуле:

,

где a =1,3 - коэффициент, учитывающий приведение моментов инерции отдельных элементов электропривода: муфт, шкивов, редуктора и т. д.;

      J_дв - момент инерции двигателя, кг∙м².

       J_i - момент инерции исполнительного органа привода, находящегося во вращательном движении, кг∙м²;

      m_k - масса поступательно движущихся элементов привода, кг;

      ρ – радиус приведения, м.

Момент инерции определяется по формуле:

.

.

Радиус определяется по формуле:

.

.

Результаты расчета приведённых моментов статической нагрузки и моментов инерции сводят в таблицу 7.

 

Таблица 7 - Результаты расчёта

Рассчитываемый параметр	Результат расчёта при движении механизма
	с грузом	без груза
Приведенный момент статической нагрузки,  Н∙м
Приведенный момент инерции, кг∙м2
Приведенный  динамический момент при пуске,  Н∙м
Приведенный динамический момент при торможении,  Н∙м

 

    Рисунок Р.4 - Диаграмма приведённых моментов

 

 

 

 

 

6 Предварительная проверка двигателя по нагреву

 

Предварительная проверка производится методом эквивалентного момента из условия:

,

где М_экв – эквивалентный момент, при работе с которым в двигателе выделяется такое же количество тепла, что и при переменном графике нагрузки, Н∙м;

      М_доп – допустимый момент для выбранного двигателя, Н∙м.

.

.

Н∙м.

Проверка условия:

Предварительная проверка двигателя  по нагреву проходит.

 

 

 

 

7 Разработка разомкнутой системы электропривода

 

7.1 Построение пусковой  диаграммы

 

Данные для построения пусковой диаграммы:

 ,

где R_яц – сопротивление якорной цепи, Ом.

где =1,54 - температурный коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления при нагреве для двигателей типа ПБСТ 4,5 и 6 габаритов.

.

.

Угловая скорость холостого хода двигателя определяется по формуле:

рад/с.

7.1.1 Построение естественной характеристики.

Уравнение естественной характеристики имеет вид:

.

рад/с.

Расчётное значение момента короткого замыкания:

,

где - жёсткость естественной механической характеристики двигателя, Н∙м∙с.

Жёсткость определяется по формуле:

.

7.1.2 Построение искусственных характеристик.

Установившаяся скорость двигателя

с грузом:

;

без груза:

Уравнение искусственной характеристики при движении с грузом при Н∙м, примет вид:

.

,

где - коэффициент наклона соответствующей механической характеристики.

.

.

Уравнение искусственной характеристики

Момент короткого замыкания при данном коэффициенте наклона:

Уравнение искусственной характеристики при движении без груза при  Н∙м и :

.

.

.

.

Уравнение искусственной характеристики примет вид:

Момент короткого замыкания  при данном коэффициенте наклона:

Момент короткого замыкания механической характеристики при движении без груза превышает момент короткого замыкания естественной характеристики двигателя. Жёсткость будет выше жёсткости естественной характеристики, что невозможно при реостатном регулировании. Поэтому движение без груза производится на естественной характеристике. Скорость w_С2 равна при М_С2=6,14 Н∙м:

.

Скорость w_С2 входит в 5% отклонение скорости от заданного значения.

Первая и вторая искусственные характеристики строятся с учетом диапазона регулирования (Д=5,5)

с грузом:  Н∙м        рад/с;

без груза:  Н∙м      рад/с.

Уравнение минимальной искусственной характеристики при движении с грузом при Н∙м и :

.

.

.

.

Уравнение искусственной характеристики примет вид:

Момент короткого замыкания  при данном коэффициенте наклона:

Уравнение минимальной искусственной  характеристики при движении без  груза при  Н∙м и :

.

.

.

.

Уравнение искусственной характеристики примет вид:

Момент короткого замыкания  при данном коэффициенте наклона:

7.1.3 Построение дополнительных пусковых искусственных характеристик.

Принимается: – относительный максимальный пусковой момент, z = 3 - число ступеней. Дополнительные данные для построения:

 

Рисунок Р.5 - Пусковая диаграмма разомкнутой  системы

 

7.2 Расчёт пусковых сопротивлений

 

Сопротивления ступеней определяются по формуле:

,

где U – напряжение сети, U=220 В;

     М_кз- моменты короткого замыкания для соответствующих ступеней механических характеристик, определяются из рисунка Р.5, H∙м.

Результаты расчета сопротивлений сводят в таблицу 8.

 

Таблица 8 - Расчет пусковых сопротивлений

Номер характеристики	Добавочное сопротивление, Ом	Сопротивление ступени, Ом
1		56,907
2		25,254
3		6,737
4		3,271
5		1,961
6		1,175