Содержание

Введение

     Рациональное  проектирование современного автоматизированного  электропривода требует глубокого знакомства с условиями работы производственного механизма, для которого привод предназначен. Высокая производительность механизма и хорошее качество обработки продуктов могут быть обеспечены лишь при надлежащем сочетании статических и динамических характеристик привода и рабочей машины. Кинематика и конструкция всей рабочей машины в целом в значительной мере определяется типом примененного привода. В то же время имеет место и обратное влияние рабочей машины на привод. В связи с этим сложные задачи проектирования – создание новых типов комплексного электропривода для различного технологического оборудования, разработка серийных образцов установок с электроприводом и т.п. – решаются обычно специализированными организациями с участием технологов, механиков, электриков, приводчиков, специалистов из других областей. Проектирование любого электропривода может вестись лишь на основе тщательно разработанного технического задания, в котором должны быть учтены все особенности производственного процесса и условия работы исполнительного механизма. В задании должны найти отражение вопросы, касающиеся характера и величины статического момента, необходимых процессов регулирования скорости, плавности регулирования, требуемого комплекса механических характеристик, условий пуска, торможения и другие.

     1 Выбор системы и разработка функциональной схемы электропривода 

     1.1 Выбор системы  электропривода 

     Электроснабжение  предприятий питания осуществляется трехфазным током частотой 50 Гц. При необходимости получения энергии постоянного тока неизбежно приходится прибегать к преобразователям. Преобразование энергии связано с дополнительными капиталовложениями и эксплуатационными расходами (потери энергии при преобразовании, обслуживание преобразователей). Таким образом, стоимость единицы энергии постоянного тока на предприятии всегда выше стоимости единицы энергии переменного тока.

     Двигатели переменного тока – синхронные и  асинхронные – значительно дешевле двигателей постоянного тока и имеют меньший вес. В связи с большей простотой конструкции обслуживание их намного проще. Они принципиально более надежны и имеют меньший момент инерции. Тем не менее, использование приводов переменного тока ограничено возможностями асинхронного двигателя при регулировании скорости.

     На  данный момент, наиболее перспективным  является частотный метод регулирования скорости асинхронного двигателя. Но для питания машины в этом случае требуется относительно сложный преобразователь, который должен обеспечивать регулирование не только частоты, но и напряжения, подводимого к статору электродвигателя.

     Простота и другие достоинства асинхронного двигателя ²уравновешивается² сложностью системы управления. Сравнение экономических показателей электроприводов постоянного и переменного тока показывает, что электропривод переменного тока дороже вследствие высокой стоимости высокочастотной преобразовательной техники. Поэтому, в дальнейшем, асинхронный двигатель рассматривать не будем и выбираем электропривод постоянного тока.

     Типы двигателей постоянного тока: высокомоментные, с самовозбуждением, с независимым возбуждением, с последовательным возбуждением, с параллельным возбуждением и со смешанным возбуждением. Исходя из того, что разрабатываемый привод регулируемый, двигатель постоянного тока с самовозбуждением не удовлетворяет этому требованию.

     Анализ механических характеристик остальных двигателей постоянного тока приведен на Рисунке 1.

     Двигатели постоянного тока с последовательным и  смешанным возбуждением имеют мягкие характеристики, соответственно 1 и 2. Поэтому для регулирования скорости они также не подходят.

     Высокомоментные двигатели постоянного тока имеют жесткую характеристику 3, но пределы регулирования частоты вращения двигателей составляют 1:10 – 1:20, что для заданного привода недостаточно.

     Двигатели постоянного тока с параллельным и независимым возбуждением также имеют жесткие характеристики соответственно 4 и 5, но двигатели постоянного тока с независимым возбуждением имеют лучшие регулировочные характеристики при широком диапазоне регулирования частоты вращения.

     Двигатели независимого возбуждения наиболее полно удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к исполнительным двигателям, таким как: отсутствие самохода (самоторможение двигателя при снятии сигнала управления); широкий диапазон регулирования частоты вращения; линейность механических и регулировочных характеристик; устойчивость работы во всем диапазоне частот вращения; большой пусковой момент; малая мощность управления; быстродействие; надежность работы; малые габариты и масса. 

Рисунок 1.1 – Рабочие характеристики  двигателей постоянного тока с различным типом возбуждения 

     Выбирается электропривод с двигателем постоянного тока независимого возбуждения.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1.2 Выбор электродвигателя 

     Исходные  данные для расчета конусной картофелеочистительной машины: производительность машины Q = 250 кг/ч; средний диаметр клубня    δ = 0,07 м; половина угла при вершине конуса θ = 30°; продолжительность цикла обработки порции продукта T_ц = 3 мин; обрабатываемый продукт -свекла.

     Определить: геометрические размеры рабочей камеры машины D и H_об; частоту вращения рабочего органа п_min массу единовременной загрузки продукта т и мощность электродвигателя  N.

     Вычисляется объем камеры из формулы [9, Ф 3.7] при насыпной массе свеклы ρ_н = 650 кг/м³ и коэффициенте заполнения рабочей камеры φ = 0,65: 

где ρ_н – насыпная масса продукта;  

          φ – коэффициент заполнения рабочей        камеры;  

         – соответственно, продолжительность загрузки и удаления порции     продукта из рабочей камеры;

        – продолжительность обработки продукта. 
 

     Определяется диаметр рабочей камеры по формуле [9, Ф 3.13]: 

где V – объем камеры.  

     Проверяется условие обеспечения циркуляции клубней на рабочем органе и возможности перемещения их от центральной части диска на конусную часть:  

     D_min > 4δ = 4·0,07 = 0,28 м. 

     Поскольку D > D_min, то условие обеспечения циркуляции клубней на рабочем органе выполняется.

     Вычисляется диаметр рабочего диска при принятом радиальном зазоре между ним и стенкой рабочей камеры ε = 0,005 м по формуле: 

где  D – диаметр рабочей камеры;

               ε– стенка рабочей камеры, м. 

     Общая высота рабочей камеры принимается равной диаметру камеры, то есть H_об = 0,36 м. Высота чаши составит:  

                                            h_к ≥ 0,07·0,866 = 0,06 м,

высота  обечайки:

h_о ≥ 0,5·0,07 = 0,035 м. 

     Принимается h_к = 0,1 м, h_о = 0,05 м. Тогда высота цилиндрической части рабочей камеры составит  

     H = 0,36 - 0,1 - 0,05 = 0,21 м. 

     По  полученным размерам рабочей камеры уточняется объем камеры для обработки продукта по формуле [9, Ф 3.8], приняв диаметр верхнего основания усеченного конуса обечайки d_о = 0,25 м. Диаметр дна конусной чаши рабочего органа при принятой толщине диска δ_Д = 0,03 м определяется по приближенной формуле: 

где d_к – диаметр дна конусной чаши рабочего органа, м;

         δ_Д– диаметр дна конусной чаши рабочего органа при принятой толщине диска, м.

V_к=

     (0,362+0,252+0,36·0,25)+

     Принимается V_к=32 л

     Масса порции загружаемого продукта находится из формулы [9, Ф 3.7]: 

где  – производительность картофелеочистительной машины, кг/с;

          – продолжительность обработки порции продукта, с. 
 

     Уточняется теоретическая производительность машины по формуле        [9, Ф 3.7]:

     где  – масса единовременно загружаемого в рабочую камеру продукта, кг;

               – продолжительность обработки порции продукта, с. 

     Минимальную частоту вращения рабочего органа, исходя из условия отбрасывания клубня от центра к периферии, определяют по формуле [9, Ф 3.3]. Принимается минимальное расстояние от центра вращения рабочего органа до центра тяжести клубня r_min = 0,58 = 0,5·0,07 = 0,035 м и коэффициент трения между продуктом и абразивной поверхностью f = 1,0. Тогда: 

     где n_min– минимальная частота вращения рабочего органа, об/мин.

     Минимальное число оборотов конического рабочего органа, необходимое для попадания клубня на стенку рабочей камеры, определяется по формуле [9, Ф 3.6]. Принимается расстояние от оси вращения до центра тяжести клубня r = r_к = 0,12 м и коэффициент проскальзывания К_ск = 0,6. Следовательно, 

     где К_ск– коэффициент проскальзывания.

     Определяется действительная частота вращения конического рабочего органа для интенсификации процесса: 

     Окончательно  принимается п = 320 об/мин.

     Мощность, необходимая для преодоления сил трения между рабочим органом и клубнями, клубней друг о друга и стенку камеры рассчитывается по формуле [9, Ф 3.15]. Принимается радиус приложения суммарной силы трения r_тр = 0,4D = 0,4·0,36 = 0,144 м и коэффициент, учитывающий, что не все подброшенные клубни создают силы трения, φ_т = 0,5. Тогда: 

где  – момент трения между рабочим органом и продуктом, Н· м;

              – суммарная сила трения, Н;

              n– частота вращения очистительного диска, об/мин.

     Мощность, затрачиваемая на подбрасывание клубней, вычисляется по формуле [9, Ф 3.17]при коэффициенте подброса клубней k_n = 0,7: 

где   – высота подброса клубней, м;

              – коэффициент подброса клубней.

     Принимая  механический КПД η_м = 0,75, определяется мощность электродвигателя по формуле: 

где   – мощность, необходимая для преодоления силы трения клубней друг о друга, о диск и стенку камеры, Вт;

            – мощность, затрачиваемая на подбрасывание клубней, Вт. 

     По  справочным данным [10] исходя из условий:

     Р_ном ³ Р_Э    и    n_ном » n 

     Выбирается электродвигатель серии 2ПН112МГУХЛ4 со следующими характеристиками:

• мощность Р=0,6 кВт;
• максимальная частота вращения двигателя n_мах=2500 об/мин;
• номинальная частота вращения двигателя n=800 об/мин;
• КПД h=60,5%;
• сопротивление обмотки якоря R_я=5,07  Ом;
• сопротивление обмотки добавочных полюсов R_дп=4,5 Ом;
• сопротивление обмотки возбуждения R_ов=61,4 Ом;
• индуктивность цепи якоря L=58 мГн;
• момент инерции I=0,015 кг×м².

     Рассчитываются параметры двигателя

где  номинальная частота вращения рабочего органа, об/мин. 
 

     Номинальный момент:

     Номинальный ток возбуждения:

     Из  выражения

     Получается значение номинального тока якоря

     Определяется сопротивление якорной цепи:

     Принимая  , получится

     1.3 Разработка функциональной  схемы электропривода 

     Системы регулируемого электропривода являются замкнутыми системами. В них используются обратные связи по току, напряжению, ЭДС и скорости вращения двигателя. В настоящее время в регулируемых приводах в основном применяются две структуры: Системы с общим суммирующим усилителем, в которых задающий сигнал и сигнал обратной связи подаются на общий суммирующий усилитель. Системы с подчиненным регулированием координат, в которых число регуляторов равно числу регулируемых величин. В таких системах выходной сигнал одного регулятора является задающим для другого.

     Система с общим суммирующим усилителем является системой с одним регулятором – совокупностью суммирующего усилителя и корректирующего устройства. Это определяет ее положительные и отрицательные стороны. К плюсам относится простота системы, к недостаткам – с помощью одного регулятора нельзя обеспечить регулирование нескольких параметров электропривода.

     В 60-х годах была предложена другая структура, которая нашла широкое применение: система регулируемого электропривода с подчиненным регулированием координат. Так как в таких системах выходной сигнал одного регулятора является задающим для другого, то ограничивая выходную величину первого регулятора легко обеспечивалось ограничение регулируемой величины. Однако наличие нескольких регуляторов усложняет расчет всей системы.

     Таким образом, выбирается система регулируемого электропривода с общим суммирующим усилителем, функциональная схема которой изображена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2  – Функциональная схема регулируемого электропривода:             U_зс – задатчик скорости; A – суммирующий усилитель; U – силовой преобразователь; LM – обмотка возбуждения; U_т – датчик тока;                          М – двигатель; BR – тахогенератор 
 

     2 Проектирование элементов силовой цепи

     2.1 Разработка схемы  преобразователя  

     Первые  преобразователи, которые применялись  в регулируемом электроприводе постоянного тока, были электромашинные усилители, которые содержали генератор постоянного тока и асинхронный или синхронный двигатель. Они позволяли преобразовывать энергию переменного тока в энергию постоянного тока и регулировать величину напряжения изменением напряжения на обмотке возбуждения генератора. Для этого использовали машинные усилители. Однако они имели существенные недостатки такие как: низкий КПД, наличие двух машин увеличивало шум, стоимость и габариты системы.

     При не больших мощностях использовались системы с магнитным усилителем, основой которого служит ферромагнитный сердечник с обмотками.

     В настоящее время в электротехнике широко применяются вентильные преобразователи: выпрямители, инверторы, преобразователи частоты. Управляемые вентильные преобразователи чаще используются для якорного управления двигателем независимого возбуждения и являются управляемыми выпрямителями. Источником энергии является сеть переменного тока.

     Принцип управления состоит в том, что  в положительный период вентиль  подобно ключу открывается и  подает напряжение к якорю. Изменяя момент (фазу) открытия вентиля, меняют среднее значение напряжения на якоре и, таким образом, управляют работой двигателя. Напряжение и ток на выходе такого преобразователя содержат постоянные и переменные составляющие.

     В качестве управляемых вентилей применяются  тиристоры.

     Существует  большое число различных схем управляемых выпрямителей: однополупериодные и двухполупериодные (мостовые) с различным числом фаз, полностью управляемые и полу управляемые.

     В качестве преобразователя выбирают мостовую, полностью управляемую, трехфазную схему управления изображенную на рисунке 2.1. 

Рисунок 2.1 – Схема управления электроприводом 

     В отличие от других схем эта схема  имеет меньшие пульсации, частота  в 2 раза выше, нет постоянного подмагничивания. Однако для управления тиристорами  необходима более сложная схема  управления.

     Управляющие сигналы, которые открывают тиристоры, подаются в последовательности VS1-VS6-VS3-VS2-VS5-VS4 со сдвигом 60^О, т.е. фазность выпрямления m=6, причем тиристоры VS1, VS3 и VS5 открываются в положительные, а тиристорыVS2, VS4, VS6– в отрицательные полупериоды фазных напряжений. Так как интервал проводимости каждого тиристора равен 120^О, в каждый момент времени открыты два тиристора (по одному в плече моста). 
 
 
 
 

     2.2 Расчет преобразователя 

     Расчет  ведется для задаваемых параметров: линейное напряжение U₁=380 В, фазное напряжение U_1Ф=220 В,ЭДС преобразователя при полностью открытых тиристорах Е_DО=U_ЯН.

     Из  формулы: 

     Напряжение на вторичной обмотке трансформатора: 

     Уточняется значение 

     Е_2у=Е₂· К_С· К_a· К_Р=162,9·1,1·1,2·1,05=225,8В,

где    К_С =1,1 – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможность понижения напряжения в сети;

     К_a=1,2 – коэффициент запаса, учитывающий не полное открытие вентилей при максимальном сигнале управления;