Теория электропривода
1. Введение
В курсовом проекте рассмотрены вопросы проектирования электропривода механизмов повторно-кратковременного циклического режима работы.
Целями курсового проекта являются:
– систематизация и закрепление знаний по курсу "Теория электропривода";
– ознакомление с серийно выпускаемым электрооборудованием (электродвигателями, преобразователями, аппаратурой управления);
– освоение распространенных методов расчетов электропривода;
– обоснованный выбор силового оборудования и аппаратуры управления электропривода рабочей машины;
– оценка статических, динамических и энергетических показателей выбранного электропривода.
В курсовом проекте рассматриваются вопросы выбора двигателей по мощности и применения систем управления электроприводами для механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме работы.
Предусмотрены варианты кинематических схем типовых механизмов, применяемых в промышленности, а также обеспечивается возможность расчета электропривода.
Рассматриваются программы расчета переходных процессов электропривода на персональном компьютере, позволяющие построить нагрузочные диаграммы скорости, момента, тока двигателя в режимах пуска и торможения электропривода, получить основные показатели переходных режимов (быстродействие, максимальные значения координат, значения перерегулирования, колебательности и т.п.), а также интегральные показатели работы (механическую, активную и реактивную энергии, среднеквадратичное
значение тока двигателя , угол поворота вала и т.п.), необходимые для расчета энергетических показателей
и проверки двигателей,
2. Описание рабочей машины и её технологического процесса; исходные данные для проектирования электропривода.
Рис. 1. Кинематическая схема механизма передвижения тележки:
1 – ходовые колеса; 2 – электродвигатель; 3 – тормозной шкив; 4 – редуктор
Тележка мостового крана выполняет операцию перемещения поднятого груза с площадки загрузки на площадку выгрузки. На площадке загрузки груз зацепляется, механизм подъема обеспечивает подъем груза. Включается двигатель тележки, осуществляется перемещение тележки с грузом с установившейся рабочей скоростью Vр. По прибытии к площадке выгрузки двигатель затормаживается, тележка останавливается в заданном месте, переместившись на длину L. Происходит опускание груза, его отцепляют, пустой крюк поднимается. Включается двигатель для движения в обратную сторону с установившейся скоростью Vв, тележка возвращается на площадку загрузки, пройдя вновь расстояние L.
Таким образом, тележка совершает возвратно-поступательное движение на длину L от одного крайнего положения до другого. В цикл работы тележки входит время пауз, когда тележка стоит, производятся зацепление груза, его подъем, опускание, расцепление, подъем и опускание пустого крюка.
Таблица 1
Технические данные механизма передвижения тележки
Обозначение |
Наименование показателя |
Размерность |
Значения |
|
m |
Масса тележки |
т |
4 |
|
mr |
Масса груза |
т |
12,5 |
|
D |
Диаметр колеса |
м |
0,25 |
|
dc |
Диаметр ступицы |
мм |
60 |
|
µ |
Коэффициент трения скольжения |
- |
0,02 |
|
f |
Коэффициент трения качения |
мм |
0,5 |
|
ck |
Крутильная |
МНм/рад |
4 |
|
L |
Длина перемещения тележки |
м |
5 |
|
Vp |
Скорость движения с грузом |
м/с |
0,5 |
|
Vв |
Скорость движения без груза |
м/с |
0,7 |
|
а |
Предельное ускорение |
м/с² |
0,5 |
|
z |
Число циклов в час |
- |
75 |
|
tp |
Суммарное время работы, не более |
с |
24 |
3. Расчёт моментов статических сопротивлений и предварительный расчёт мощности электродвигателя.
3.1.1. время пуска tп тележки без груза до установившейся скорости с допустимым ускорением, торможения tт от установившейся скорости до остановки.
- путь, проходимый за время пуска (торможения) тележки без груза.
- время установившегося режима движения со скоростью vy для тележки без груза.
- момент силы трения в подшипниках для тележки без
груза.
3.1.5. момент силы трения качения для тележки без груза.
Мтк = m · f · g = 4000 · 0.5· 10-3 · 9.81 = 19.62 Нм
- момент силы трения с учетом реборд для тележки без груза.
Мрост = Кр · (Мтп + Мтк) = 1,35 · (23,5 + 19,62) = 58,2 Нм
- момент инерции тележки без гру
за.
- динамический момент для тележки без груза.
- полный момент для тележки без груза.
- Мро = Мрост + Мродин = 58,2 + 250 = 308,2 Нм
3.2.1. время пуска tп тележки с грузом до установившейся скорости с допустимым ускорением, торможения tт от установившейся скорости до остановки.
3.2.2 путь, проходимый за время пуска (торможения) тележки с грузом.
3.2.3. время установившегося режима движения тележки с грузом со скоростью vy.
3.2.4. момент силы трения в подшипниках для тележки с грузом.
3.2.5. момент силы трения качения для тележки с грузом.
Мтк = m · f · g = (4000 + 12500) · 0.5· 10-3 · 9.81 = 80,9 Нм
3.2.6. момент силы трения с учетом реборд для тележки с грузом.
Мрост = Кр · (Мтп + Мтк) = 1,35 · (97,1 + 80,9) = 240,3 Нм
3.2.7. момент инерции тележки с грузом.
3.2.8. динамический момент для тележки без груза.
3.2.9. полный момент для тележки с грузом.
Мро = Мрост + Мродин = 240,3 + 1031,2 = 1271,5 Нм
Рис. 2. Нагрузочная диаграмма скорости и моментов рабочей машины.
4. Обоснование выбора рода тока и типа электропривода.
Выбор рода тока и типа электропривода целесообразно производить на основе рассмотрения и сравнения технико-экономических показателей ряда вариантов, удовлетворяющих техническим требованиям данной рабочей машины.
В зависимости от диапазона и плавности регулирования скорости, требований к качеству переходных процессов могут быть применены системы с индивидуальными преобразователями.
При глубоком регулировании скорости в большинстве случаев вопрос решается в пользу приводов постоянного тока. Однако конкурентными по своим свойствам являются приводы с частотным и частотно-токовым управлением. Преимущества приводов с асинхронными двигателями – простота конструкции и повышенная надежность двигателей, возможность их изготовления в поточном производстве
Препятствием к быстрому внедрению частотно-регулируемых приводов является сложность систем управления, что приводит к недостаточной надежности их работы и повышенной стоимости. Появление на мировом рынке частотно-регулируемых электроприводов с микропроцессорным управлением повышает их надежность, но стоимость их не снижается.
5. Выбор электродвигателя;
определение передаточного
На основании построенной
Мощность двигателя определяем по соотношению.
tц = 3600/z = 3600/75 = 48
Таблица 2. Технические данные электропривода.
Тип |
Pн, кВт |
nном, об/мин |
Iн, А |
cosφ |
Iп, А |
4MTKF(H)112L6 |
2,2 |
880 |
6,8 |
0,73 |
22,7 |
Мп, Нм |
Мmax, Нм |
rL, Ом |
I0, А |
Rкз, Ом | |
62 |
64 |
2,97 |
4,81 |
9,66 | |
Хкз, Ом |
Кr |
Jдв, кг·м² | |||
5,87 |
5,9 |
0,035 | |||
Таблица 3. Технические данные редуктора.
Тип редуктора |
n, об/мин |
Pmax, кВт |
jр, кгм² |
Ц2-250 |
1000 |
14 |
19,88 |
6. Расчет приведенных статических моментов и моментов инерции.
6.1.1. Статический момент для тележки с грузом, приведенный к валу двигателя.
6.1.2. Момент на валу в двигательном режиме для тележки с грузом.
6.1.3. Момент на валу при работе тележки с грузом в тормозном режиме.
6.1.4. Приведенный к
валу двигателя суммарный
6.1.5. Приведенный к валу двигателя суммарный момент инерции системы.
J = δ · Jд + Jпр = 1,3 · 0,035 + 0,49 = 0,53 кг·м²
6.1.6. Установившаяся скорость
двигателя для тележки с
6.1.7. Динамический момент
6.2.1. Статический момент
для тележки без груза,
6.1.2. Момент на валу в двигательном режиме для тележки без груза.
6.1.3. Момент на валу при работе тележки без груза в тормозном режиме.
6.1.4. Приведенный к
валу двигателя суммарный
6.1.5. Приведенный к
валу двигателя суммарный момен
J = δ · Jд + Jпр = 1,3 · 0,035 + 0,12 = 0,165 кг·м²
6.1.6. Установившаяся скорость двигателя для тележки без груза.
6.1.7. Динамический момент
Таблица 4. Предварительный расчет нагрузочных диаграмм.
Участок движения |
Движение с грузом |
Движение без груза |
|||||
пуск |
уст. режим |
тормо-жение |
пуск |
уст. режим |
тормо-жение |
||
t,c |
1 |
9 |
1 |
1,4 |
5,7 |
1,4 |
|
α,м |
0,25 |
4,5 |
0,25 |
0,49 |
4,02 |
0,49 |
|
v, м/с |
0,5 |
0,7 |
|||||
Мрост, Нм |
240,3 |
240,3 |
240,3 |
58,2 |
58,2 |
58,2 |
|
Jрост, кгм² |
257,8 |
257,8 |
62,5 |
62,5 |
|||
Мродин, Нм |
1031,2 |
1031,2 |
250 |
250 |
|||
Мро, Нм |
1271,5 |
240,3 |
790,9 |
308,2 |
58,2 |
191,8 |
|
Мрс, Нм |
10,4 |
10,4 |
10,4 |
2,53 |
2,53 |
2,53 |
|
Мвс, Нм |
13 |
8,32 |
3,16 |
2 |
|||
Мс, Нм |
13 |
13 |
8,32 |
3,16 |
3,16 |
2 |
|
ωс, рад/с |
92,1 |
128,8 |
|||||
Jпр, кгм² |
0,49 |
0,49 |
0,12 |
0,12 |
|||
J, кгм² |
0,53 |
0,53 |
0,165 |
0,165 |
|||
Мдин, Нм |
48,76 |
48,76 |
21,25 |
21,25 |
|||
Мдоп.уск, Нм |
61,76 |
57,08 |
24,41 |
23,25 |
|||
Мср, Нм |
61,76 |
57,08 |
24,41 |
23,25 |
|||
t,c |
|||||||
α, рад |
|||||||
7. Расчет статических характеристик двигателя.
Рис. 3. Структурная схема системы ПЧ-АД
7.1. Номинальный момент на валу двигателя.
7.2. Электромагнитный момент
Мн = Мвн + Мх
Момент потерь холостого хода в расчетах электропривода можно не учитывать (Мх = 0).
Мн = Мвн = 23,88 Нм
7.3. Номинальное относительное
7.4. Критическое скольжение
7.5. Момент двигателя по формуле Клосса.
7.6. Относительное значение
с грузом
без груза
7.7. Механическая постоянная времени для тележки
с грузом
без груза
7.8. Базовая постоянная задатчика интенсивности для тележки
с грузом
без груза
8. Выбор преобразователя.
Uнпч ≥ Uнл 380В = 380В
Iнпч ≥ Iн1
Таблица 5. Технические данные ПЧ
Тип электропривода |
Полная мощность, кВА |
Номинальная мощность двигателя, кВт |
Номинальный ток нагрузки, А |
АТО5-005 |
7,5 |
5,5 |
11 |
9. Расчет частоты и напряжения двигателя при работе в заданной точке.
9.1. Синхронная частота вращения двигателя.
Расчет для тележки с грузом.
9.2. Для предварительного расчета частоты выполним параллельный перенос естественной механической характеристики в заданную точку.
ωозад = ωзад + ∆ωе = 92,1 + 6,3 = 98,4 рад/с
9.3. Относительное значение частоты α = 0,94. Используя типовое отношение U1н/fн = 4,4 , выбираем
U1зад = 4,4 · α · f1н = 4,4 · 0,94 · 50 = 206,8 В
f1зад = α · f1н = 0,94 · 50 = 47 Гц
9.4. Определяем конечную скорость для заданной частоты
ωк = ω0н · (1 – Sк) = 104,7 · (1 – 0,024) = 102,2 рад/с
Расчет для тележки без груза.
9.5. Для предварительного расчета частоты выполним параллельный перенос естественной механической характеристики в заданную точку.
ωозад = ωзад + ∆ωе = 128,8 + 3,2 = 132 рад/с
9.6. Определяем заданное значение частоты и напряжения.
U1зад = U1н = 220 В
1. Каталожные данные двигателя
4MTKF(H)112LB6;
2р=3; Число пар полюсов
U1ном = 220; Номинальное фазное напряжение, В
f1ном=50;
Pном = 2200; Номинальная мощность, Вт
n1ном=880; Номинальная скорость, об/мин
I1ном = 6,8; Номинальный ток статора, А
η = 0.8;
cosφ = 0.73; Номинальный cos φ
Mk = 64; Критический момент, Нм
Mп = 62; Пусковой момент, Нм
I1п = 22,7; Пусковой ток статора, A
2. Обмоточные данные двигателя
r1 = 2,97; Невыключаемое активное сопротивление статора, Ом
Rk = 5,7; Активное сопротивление к.з., Ом
Xk = 5,87; Индуктивное сопротивление к.з., Ом
I0 = 4,81; Ток холостого хода, А
3. Параметры источника питания
Источник напряжения in=1
U1ф = 206,8; Фазное напряжение в заданной точке, В
f1=47; Частота в заданной точке, Гц
4. Координаты заданной точки 1
M1 = 13; Момент на валу в двигательном режиме, Нм
w1 = 92,1; Установившаяся скорость двигателя, рад/с
5. Цикл расчета характеристики с шагом по скорости.
ωнач = - 10; Начальная скорость, рад/с
ωko = 102,2; Конечная скорость, рад/с
dω= 0,5; Шаг по скорости, рад/с
1. Каталожные данные двигателя
4MTKF(H)112LB6;
2р=3; Число пар полюсов
U1ном = 220; Номинальное фазное напряжение, В
f1ном=50;
Pном = 2200; Номинальная мощность, Вт
n1ном=880; Номинальная скорость, об/мин
I1ном = 6,8; Номинальный ток статора, А
η = 0.8;
cosφ = 0.73; Номинальный cos φ
Mk = 64; Критический момент, Нм
Mп = 62; Пусковой момент, Нм
I1п = 22,7; Пусковой ток статора, A
2. Обмоточные данные двигателя
r1 = 2,97; Невыключаемое активное сопротивление статора, Ом
Rk = 5,7; Активное сопротивление к.з., Ом
Xk = 5,87; Индуктивное сопротивление к.з., Ом
I0 = 4,81; Ток холостого хода, А
3. Параметры источника питания
Источник напряжения in=1
U1ф = 220; Фазное напряжение в заданной точке, В
f1= 63; Частота в заданной точке, Гц
4. Координаты заданной точки 1
M1 = 3,16; Момент на валу в двигательном режиме, Нм
w1 = 128,8; Установившаяся скорость двигателя, рад/с
5. Цикл расчета характеристики с шагом по скорости.
ωнач = - 10; Начальная скорость, рад/с
ωko = 135; Конечная скорость, рад/с
dω= 0,5; Шаг по скорости, рад/с
1. Каталожные данные двигателя
4MTKF(H)112LB6; Тип двигателя
2р=3;
U1ном = 220;
f1ном=50;
Pном = 2200; Номинальная мощность, Вт
n1ном=880; Номинальная скорость, об/мин
I1ном = 6,8; Номинальный ток статора, А
η = 0.8;
cosφ = 0.73; Номинальный cos φ
Mk = 64; Критический момент, Нм
Mп = 62; Пусковой момент, Нм
I1п = 22,7; Пусковой ток статора, A
2. Обмоточные данные двигателя.
r1 = 2,97; Невыключаемое активное сопротивление статора, Ом
Rk = 5,7; Активное сопротивление к.з., Ом
Xk = 5,87; Индуктивное сопротивление к.з., Ом
I0 = 4,81; Ток холостого хода, А
- Данные рабочего органа.
Мсв = 3,16; Статический момент на валу, Нм
Мр = 1; Реактивный момент, Нм
Jпр = 0,12; Приведенный момент инерции, кг·м²
4. Тип выпрямителя преобразователя частоты – управляемый.
5. Каталожные
данные преобразователя
Uном = 380; Номинальное напряжение ПЧ, В
Iном = 11;
dPpn = 343,9;
f1min = 5; Минимальная частота, Гц
f1max = 100; Максимальная частота, Гц
- Цикл расчета характеристики с шагом по скорости.
Tзи = 0,8; Постоянная времени задатчика интенсивности, с
ωнач = 0; Начальная скорость, рад/с
ωko = 104,7; Конечная скорость, рад/с
dω = 0; Скачок синхронной скорости при ПИ - задатчике, рад/с
- Время режима работы.
tп = 1,4; Время пуска, с
tт = 1,4; Время торможения, с
1. Каталожные данные двигателя
4MTKF(H)112LB6;
2р=3;
U1ном = 220;
f1ном=50;
Pном = 2200; Номинальная мощность, Вт
n1ном=880; Номинальная скорость, об/мин
I1ном = 6,8; Номинальный ток статора, А
η = 0.8;
cosφ = 0.73; Номинальный cos φ
Mk = 64; Критический момент, Нм
Mп = 62; Пусковой момент, Нм
I1п = 22,7; Пусковой ток статора, A
2. Обмоточные данные двигателя.
r1 = 2,97; Невыключаемое активное сопротивление статора, Ом
Rk = 5,7; Активное сопротивление к.з., Ом
Xk = 5,87; Индуктивное сопротивление к.з., Ом
I0 = 4,81; Ток холостого хода, А
- Данные рабочего органа.
Мсв = 13; Статический момент на валу, Нм
Мр = 1; Реактивный момент, Нм
Jпр = 0,49; Приведенный момент инерции, кг·м²
4. Тип выпрямителя преобразователя частоты – управляемый.
5. Каталожные
данные преобразователя
Uном = 380;
Iном = 11;
dPpn = 343,9;
f1min = 5;
f1max = 100; Максимальная частота, Гц
- Цикл расчета характеристики с шагом по скорости.
Tзи = 1,15; Постоянная времени задатчика интенсивности, с
ωнач = 0; Начальная скорость, рад/с
ωko = 104,7; Конечная скорость, рад/с
dω = 0; Скачок синхронной скорости при ПИ - задатчике, рад/с
- Время режима работы.
tп = 1,9; Время пуска, с
tт = 1,6; Время торможения, с
11. Расчет энергетических показателей электропривода.
11.1.1. Угловой путь, проходимый двигателем на рассматриваемом участке.
Σа = 2 · L · jp / D = 2 · 5 · 23 / 0.25 = 920 рад/с
11.1.2. Время работы в
установившемся режиме для
tуст = Lуст / ωуст = 770 / 102.5 = 7,5 с
11.1.3. Путь, проходимый тележкой без груза в установившемся режиме.
Lуст = Lc – Lп – Lт = 920 – 100 – 50 = 770 рад
11.1.4. Механическая энергия на валу для тележки без груза в установившемся режиме.
Pvуст = Муст · ωуст · tуст = 6,1 · 102,5 · 7,5 = 4689 Вт · с
11.1.5. Активная мощность сети для тележки без груза в установ. режиме.
Рсуст = Pvуст / η = 4689 / 0,47 = 9976 Вт · с
11.1.6. Потери энергии в ПЧ для тележки без груза в установившемся режиме.
dPpуст = 0,5 · dPpn · (1 + (I1 / Ipn)²) · tуст = 0,5 · 343,9 · (1 + (4 / 11)²) · 7,5 = 1460 Вт · с
11.1.7. Активная энергия двигателя для тележки без груза в установившемся режиме.
Pdуст = Рсуст – dPpуст = 9976 – 1460 = 8516 Вт · с
11.1.8. Реактивная энергия двигателя для тележки без груза в установившемся режиме.
Qc = Pcуст · √ (1 - cosφ²) / cosφ = 9976 · √ (1 – 0,953²) / 0,953 = 3310 Вар · с
11.1.9. Цикловой КПД системы ПЧ-АД для тележки без груза.
пуск
η = Pv / Pc = 1167 / 2460 = 0,47
торможение
η = Pс / Pv = - 23 / - 689 = 0,033
11.1.10. Коэффициент мощности системы ПЧ-АД для тележки без груза.
пуск
торможение
11.1.11. Среднеквадратичное значение тока для тележки без груза.
Таблица 7. Расчет интегральных показателей системы ПЧ-АД для тележки без груза.