Расчётно-пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Автоматизированный электропривод»
Тема: Разработать электропривод механизма передвижения мостового крана.
Выполнил студент: Барулин Ю.В.
Российский химико-технологический университет имени Д.И.Менделеева.
Новомосковский институт
Кафедра «Электротехники»
Новомосковск 2004 г.
Задание
Разработать электропривод механизма передвижения мостового крана.
Механизм включает двигатель постоянного тока, торможение включением сопротивления в цепь якоря. Вращение ротора двигателя передаётся через редуктор ходовым колесом, имеющем диаметр D=0.4м и цапф Dц=0,008м.Тележка перемещает кран с грузом mг=28 т на расстоянии перемещения L=18 м, скорость передвижения v=19 м/мин, а вес самой тележки mт=6 т, К.П.Д. передач механизма n=0,65.
Кроме того, при расчёте электропривода задаются продолжительностью включения ПВ=34% и приведённым к валу двигателя моментом энерции механизма I1=25% от момента инерции ротора электродвигателя.
Цикл работы тележки включает перемещение груза на расстояние и возвращение назад без груза. Разработать схему управления, которая должна обеспечивать ступенчатый пуск, электрическое торможение, снижение скорости перед остановкой до (20-30)% от номинальной, фиксацию механизма электромеханическим тормозом при отключении двигателя от сети.
Срок сдачи проекта
Дата выдачи задания
Введение
Эффективность средств производства, которыми располагает человеческое общество, в значительной степени определяется совершенством способов получения энергии, необходимой для выполнения механической работы в производственных процессах. Производственные механизмы, без которых нельзя в настоящее время представить себе ни одно производство прошли длительный путь своего развития, прежде чем приняли вид современного автоматизированного электропривода, приводящего в движение бесчисленное множество рабочих машин и механизмов в промышленности, транспорте, в сельском хозяйстве и в бытовой технике и автоматически управляющего их технологическими процессами.
Пределы использования по мощности современного электропривода весьма велики - от десятков тысяч киловатт в единичном двигателе до долей ватта.
Современный автоматизированный электропривод представляет собой сложную электромеханическую систему, предназначенную для приведения в движение рабочего органа машины и управления её технологическим процессом. Он состоит из трёх частей: электрического двигателя, осуществляющего электромеханическое преобразование энергии, механической части, передающей механическую энергию рабочему органу машины, и системы управления, обеспечивающей оптимальное по тем или иным критериям управление технологическим процессом. Диапазон изменения номинальных частот вращения электропривода имеет весьма широкие пределы. Использование средств дискретной техники в системах управления приводами постоянно тока расширяет диапазон регулирования скорости до (1000-1500:1 и выше. Нельзя представить себе ни одного современного производственного механизма, в любой области техники, который не приводился бы в действие автоматизированным электроприводом. В электроприводе основным элементом, непосредственно преобразующим электрическую энергию в механическую является электрический двигатель, который чаще всего управляется при помощи соответствующих преобразовательных и управляющих устройств с целью формирования статистических и динамических характеристик электропривода, отвечающих требованиям производственных механизмов.
Речь идёт об обеспечении с помощью автоматизированного электропривода оптимального режима работы машин, при котором достигается наибольшая производительность при высокой точности.
Многообразие производственных процессов обуславливает различные виды и характеры движения рабочих органов машины, а следовательно, и электроприводов. По виду движения электроприводы могут обеспечить: вращательное однонаправленное движение, вращательное реверсивное и поступательное реверсивное движение. Характеристики двигателя и возможности системы управления определяют производительность механизма, точность выполнения технологических операций.
Свойства электромеханической системы оказывают решающее влияние на важнейшие показатели рабочей машины и в значительной мере определяют качество и экономическую эффективность технологических процессов. Развитие автоматизированного электропривода ведёт к совершенствованию конструкций машин, к коренным изменениям технологических процессов, к дальнейшему прогрессу во всех отраслях народного хозяйства, поэтому теория электропривода- техническая наука, изучающая общие свойства электромеханических систем, законы управления их движением и способы синтеза таких систем по заданным показателям имеет важнейшее практическое значение.
Системы автоматического управления электроприводами постоянного и переменного тока, в которых используются все достижения полупроводниковой техники, а так же возможности электронной вычислительной техники, позволяют существенно упростить конструкции производственных механизмов, повысить их точность и поднять производительность, т.е. способствовать техническому прогрессу. 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.Расчёт статистических нагрузок и мощности ДТП
1.1Статистическая нагрузка при движении тележки с грузом
Рс1=кg(mт+mг) (мDц/2+f)v/nD/2
где к-коэффициент, учитывающий трение
(к=1,2 1,3). Принимаем к=1,25
g-ускорение свободного падения, Н*м2;
mт-масса тележки, кг;
mг-масса груза, кг;
f-коэффициент трения качения. Принимаем в зависимости от диаметра колеса. принимаем f=0.0005
м-коэффициэнт трения;
Dц-диаметр цапфа;
V-скорость передвижной тележки, м/с;
D-диаметр колёс, м;
n-номинальный КПД передачи механизма.
Рс1=1,25*9,81(6000+28000)(0,25*0,08/2+0,0005)*0,32/0,65*0,4/2=10776Вт=10,78кВт
Мощность двигателя при движении тележки без груза определяется аналогично, с учётом что mг=0
Рс2=кgmт(мDц/2+f)V/n*D/2
Рс2=1,25*9,81*6000(0,25*0,08/2+0,0005)*0,32/0,65*0,4/2=1902Вт=1,9кВт
Время работы с грузом и без груза
tp1=tp2=L/V,
где L-расстояние перемещения, м
tp1=tp2=18/0.32=56.8c
Время цикла при заданной продолжительности включения
tц=(tp1+tp2)*100% / ПВ%?
где ПВ% заданная продолжительность включения
tц=(56,8+56,8)*100% / 34%=334 c
Время пауз
tп1=tп2=(tц-(tp1+tp2))/2
tп1=tп2=(334-(56,8+56,8))/2=110,2с
Так как время цикла меньше 10 минут, то режим работы повторно-кратковременный
Эквивалентная среднеквадратичная мощность за время работы
Рэ= (Р2с1*tp1+P2c2*tp2)/(tp1+tp2)
Рэ= (10,782*56,8+1,92*56,8)/(56,8+56,8) =7,74кВт
Эквивалентная мощность , приведённая к стандартной ПВ%
Pэк=Кз*Рэ* ПВ/ПВст ,
где Кз-коффициэнт запаса (Кз=1,1 1,3). Принимаем Кз=1,2;
ПВст-стандартная продолжительность включения, ПВст=40%
Рэк=1,2*7,74 34/40 =8,56 кВт
Выбор двигателя постоянного тока (ДПТ)
Согласно [4] номинальная мощность выбираемого двигателя должна быть эквивалентной мощности,
Рэк >Рэн. Выбираем D32
Рном=12кВт; nном=800 мин-1; Uном=220В; Кa =0.28 Ом;
Iном=57А; Iв=1,85А; Р при ПВ=40%=9,5кВт; Iдв=0,425кг*м2
Номинальная угловая скорость
wн=2пn/60,
где n-номинальная частота вращения,
wн=2*3.14*800/60=83.37
Передаточное отношение редуктора
ip=(wн*D/2)/V*60
ip=(83.37*0.4/2)/0.32*60=0.87
2.Расчёт и построение эл./механических характеристик
2.1 Построение соответственных электромеханических характеристик.
Механические характеристики для ДТП с параллельным возбуждением представляют собой прямые линии, поэтому для их построения достаточно определить координаты 2-х точек: номинального режима и холостого хода
Номинальный момент
Мн=Рн/wн,
где Рн-номинальная мощность двигателя, кВт
Мн=12000/83,73=133,46 Н*м
Для холостого хода момент принимается равным нулю, М0=0.
Скорость находится из выражения
w0=Uн/КФ,
где КФ=(Uн-Iн*Ra )/wн,
где Uн-номинальное напряжение при ПВ%ст,В;
Iн-номинальный ток, А;
Ra -суммарное сопротивление якоря, Ом.
КФ=(220-57*0,28)/83,73=2,44
w0=220/2.44=90.16
Эти характеристики представлены на рисунке 4.
2.2 Статистические моменты сопротивления двигателя при движении тележки с грузом и без груза
Мс1=Рс1/wн
Мс1=10,78/83,37=128,7 Н*м
Мс2=Рс2/wн
Мс2=1,9/83,73=22,71 Н*м
Строим их как вертикальные линии в 1 и 3 квадранте.
2.3 Для построения пусковых реостатных характеристик задаемся моментами переключения
М1=(2 3)Мн
М1=(2 3)*133,6=226,92 340,38 Н*м
М2>(1.1 1.2)Мн
М2>(1,1 1,2)*133,46>124,81 156,12 Н*м
П =М1/Мн
П=(226,92 34,38)/133,46=2 3
Rном=Uном/Iном
Rном=220/57=3.86 Ом
Ra=Ra /Rном=0,28/3,86=0,0725
Принимаем П =3. Задаёмся числом ступеней z=2
М2= Пz Ra*П
М2=32 0,0725*3 =1,39
М2=М2*Мн
М2=1,39*133,46=158,74
Выбранные значения П и z соответствуют выполнению условия М2>(1,1 1,2)Мн
2.4 Построение тормозной характеристики для ДТП
При типе торможения В строим тормозные характеристики, проводя прямые через точку w0 и пересечение линии Мс и точкой 0,2wн
2.5 Расчёт пусковых и тормозных резисторов
R1=Rном*bc/af=3.86*8/92=0.34
R2=Rном*cd/af=3.86*16/92=0.67
Rт1=Rном*de/af=3.86*32/92=1.34
Rт2=Rном*de/af=3.8*275/92=11.54
3.Расчет переходных процессов при пуске и торможении электропривода
3.1 Расчёт переходных процессов при движении тележки с грузом
Тм=Iw0/Mкз=I w/ M
Iг=Iдв+(I1/100%)Iдв+mг(V/wдв)2
где Iдв-момент инерции двигателя, кг*м2
I1-момент инерции механизмов, приведённой к валу, %
mг-масса тележки с грузом, кг
V-скорость движения тележки, м/с
wдв-частота вращения двигателя, об/мин
Iг=0,425+(25/100)*0,425+34000(0,32/800)2=0,54
Рассматриваем переходный процесс при движении тележки с грузом по участкам
участок 1-2
w=(wнас-wуст)e-t/Tм+wуст
М=(Мнас-Муст)е-t/Тм+Муст
Для определения переходного процесса, необходимо знать:
Тм1=Iг*w2/(V1-V2)
wнач=0 ; wуст=w7=54
Мнач=320; Муст=128,7
Тм1=0,54*47/(320-158,7)=0,16
w=(0-54)e-t/0.16+54
M=(320-128.7)e-t/0.16+128.7
Результаты вычислений сводим в таблицу
1 этап разгона
| t | 0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 |
| w | 0 | 25,1 | 38,5 | 47 |
| M | 320 | 231,1 | 183,5 | 158,7 |
участок 3-4
wнач=w2=47; wуст=w8=73
Mнач=320=M1; Mуст=Mc1=128.7
Tм2=I(w4-w2)/(M1-M2)
Tм2=0.54(70-47)/(320-158.7)=0.08
<w=(w2-w8)e-t/Tм2++w8
w=(47-73)e-t/0.08+73
М=(М1-Мс1)е-t/0,08+Мс1
М=(320-128,7)е-t/0.08+128.7
Результаты расчёта сводим в таблицу
11 этап разгона
| t | 0 | 0,1 | 0,2 |
| w | 47 | 65,5 | 70 |
| M | 320 | 183,5 | 158,7 |
участок 5-6
wнач=w4=70; wуст=w6=83
Mнач=M1=320; Mуст=Mc1=128.7
Tм3=Iг(w6-w4)/(M1-Mc1)
Tм3=0.54(83-70)/(320-128.7)=0.04
w=(w4-w6)e-t/Tм3+w6
w=(70-83)e-t/0.04+83
M=(M1-Mc1)e-t/Tм3+Mc1
M=(320-128.7)e-t/0.04+128.7
Результаты расчета сводим в таблицу
участок 3`-4`
wнач=w2=-47; wуст=w8`=-88
Mнач=-M1=-320; Mуст=-Mc2=-22,7
Tм2`=I/(w4`-w2`)/(-M1+M2)
Tм2`=0.53(-47)/(-320+158,7)=0.15
w=(wнач-w7)e-t/Tм1+w7
w=84e-t/0.15-84
M=(-M1+Mc2)e-t/Tм1-Mc2
M=(-320+22,7)e-t/0.15-22,7
Результаты вычислений сводим в таблицу
Выход на естественную характеристику
| t | 0 | 0,1 | 0,2 |
| w | 70 | 82 | 83 |
| M | 320 | 144,4 | 128,8 |
участок 9-10
wнач=w9=83; wуст=w10=17
Mнач=M9=14; Mуст=Mc1=128.7
Tм4=Iг(w10-w9)/(M9-Mc1)
Tм4=0.54(17-83)/(14-128.7)=0.34
w=(w9-w10)e-t/Tм4+w10
w=(88-17)e-t/0.34+17
M=(M9-Mc1)e-t/Tм4+Mc1
M=(14-128.7)e-t/0.34+128.7
Результаты вычислений сводим в таблицу
этап торможения
| t | 0 | 1 | 2 |
| w | 83 | 20,5 | 17,2 |
| M | 14 | 122,6 | 128,4 |
3.2 Расчёт переходных процессов при движении тележки без груза
I=Iдв+(I1/100%)Iдв+m(V/wдв)2
где I-момент инерции электропривода, кг*м2
m-масса тележки с грузом, кг
I=0,425+(25/100)*0,425+6000(0,32/800)2=0,53
Рассмотрим переходный процесс при движении тележки без груза по участкам
участок 1`-2`
wнач=0; wуст=w7=-84
Mнач=-M1=14; Mуст=-Mc2=-22,7
Tм1=Iw2/(-M1+M2)
Tм1=0.53*(-47)/(-320+158,7)=0.15
w=(wнач-w7)e-t/Tм1+w7
w=84e-t/0.15-84
M=(-M1+Mc2)e-t/Tм1-Mc2
M=(-320+22,7)e-t/0.15-22,7
Результаты вычислений сводим в таблицу
1 этап разгона
| t | 0 | 0,1 | 0,2 |
| w | 0 | -40,8 | -47 |
| M | -320 | -175,3 | -158,7 |
участок 3`-4`
wнач=w2`=-47; wуст=w8`=-88
Mнач=-M1=-320; Mуст=-Mc2=-22,7
Tм2`=I/(w4`-w2`)/(-M1+M2)
Tм2`=0.53(-47)/(-320+158,7)=0.15
w=(w2-w8)e-t/Tм`+w8
w=(-47+88)e-t/0.15-88
M=(-M1+Mc2)e-t/Tм2`-Mc2
M=(-320+22,7)e-t/0.075-22,7
Результаты вычислений сводим в таблицу
11 этап разгона
| t | 0 | 0,1 | 0,06 |
| w | -47 | -77,2 | -70 |
| M | -320 | -101,1 | -158,6 |
участок 5`-6`
wнач=w4`=-70; wуст=w6`=-90
Mнач=-M1=-320; Mуст=-Mc2=-22,7
Tм3`=I/(w6`-w4`)/(-M1+Mc2)
Tм3`=0.53(-90+70)/(-320+22.7)=0.035
w=(w4`-w6`)e-t/Tм3`+w6`
w=(-70+90)e-t/0.035-90
M=(-M1+Mc2)e-t/0.035-Mc2
M=(-320+22,7)e-t/0.035-22,7
Результаты вычислений сводим в таблицу
Выход на естественную характеристику
| t | 0 | 0,1 | 0,2 |
| w | -70 | -89,3 | -90 |
| M | -320 | -33,3 | -22,7 |
участок 5`-6`
wнач=w9`=-90; wуст=w10`=-17
Mнач=M9`=-2; Mуст=-Mc2=-22,7
Tм4`=I/(w9`-w10`)/(-Mc2+M9`)
Tм4`=0.53(-90+17)/(-22.7+2)=1.8
w=(w9`-w10`)e-t/Tм4`+w10`
w=(-90+17)e-t/1.8-17
M=(M9`+Mc2)e-t/Tм4-Mc2
M=(-2+22,7)e-t/1.8-22,7
Результаты вычислений сводим в таблицу
этап торможения
| t | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| w | -90 | -58,9 | -41,03 | -30,8 | -25 | -21,5 | -19,8 | -17,1 |
| M | -2 | -10,8 | -15,9 | -18,8 | -20,5 | -21,4 | -22 | -22,7 |
4.Строим нагрузочные диаграммы для проверки двигателя по нагреву
Движения тележки с грузом
SOAB=1/2AB*OB
SOAB=1/2*(110/60)*0.7=0.64 рад
Lпуск=SОАВ*D/2*ip
где D-диаметр ходовых колёс, м
ip-передаточное отношение редуктора
Lпуск=0,64*0,4/2*0,87=0,15 м
SCFGD=SCKE+SEFGD
SCKE=1/2CE*EK
SEFGD=ED*DG
SEFGD=(16/60)*3+0.8 рад
SCFGD=0.56+0.8=1.36 рад
Lторм г=SCFGD*D/2*ip
Lторм г=1.36*0.4/2*0.87=0.31 м
Lуст.г=L-(Lпуск.г+Lторм г)
Lуст.г=18-(0.15+0.31)=17.54 м
Определяем установившееся время работы при движении тележки с грузом
tуст.г=Lуст.г/V
tуст.г=17.54/0.32=54.8 с
Движение тележки без груза
SOAB=1/2AB*OB
SOAB=1/2(110/60)0.4=0.37 рад
Lпуск.б/г=SOAB*D2*ip
где Lпуск-расстояние, на которое перемещается тележка
во время пуска, м
Lпуск б/г=0,37*0,4/2*0,87=0,08 м
SCDEF=SKDG+SCKFE
SKDG=1/2KD*CE
SKDG=1/2(73/60)*3.6=2.19 рад
SCKFE=CK*CE
SCKFE=(17/60)*7=1.98 рад
SCDEF=2.19+1.98=4.17 рад
Lторм г=SCDFE*D/2*ip
Lторм г=4.17*0.4/2*0.87=0.96 м
Lуст.г=L-(Lпуск.б/г+Lторм б/г)
Lуст.г=18-(0.08+0.96)=16,96
Определяем установившееся время работы при движении тележки без груза
tуст.г=Lуст.б/г/V
tуст.б/г=16,96/0.32=53 с
Проверка двигателя по нагреву осуществляется методом эквивалентного момента, который определяется по нагрузочной диаграмме при работе тележки с грузом и без груза
Мэкв= М i2*ti/ ti<Mном
Мi= (Mнач2+Мнач*Мкон+Мкон2)/3
участок 1-2
Мi= (M12+M1*M2+M22)/3= (3202+320*158.7+158.72)/3=243.84
участок 3-4
Мi= (M12+M1*M2+M22)/3= (3202+320*158.7+158.72)/3=243.84
участок 5-6
Мi= (M12+M1*Mс1+Mс12)/3= (3202+320*128.7+128.72)/3=231.05
участок 9-10
Мi= (M92+M9*Mс1+Mс12)/3= (142+14*128.7+128.72)/3=78,66
Муст=128,7
участок 1`-2`
Мi= ((-M1)2+M1*M2+M22)/3= (3202+320*158.7+158.72)/3=243.84
участок 3`-4`
Мi= (M12+M1*M2+M22)/3= (3202+320*158.7+158.72)/3=243.84
участок 5`-6`
Мi= (M12+M1*Mс2+Mс22)/3= (3202+320*22,7+22,72)/3=191,64
участок 9`-10`
Мi= (M`92+M9`*Mс2+Mс22)/3= (22+2*22.7+22.72)/3=13.72
Муст=22.7
Мэкв= 243,842*0,3+243,842*0,2+231,052*0,2+78,662*3+128,72*54,8+243,842*0,13+
+243,842*0,6+191,642*0,2+13,722*7+22,72*53/119,43=93,59
Мэкв<Мном=133,46 Н*м
Мном*ПВном>Мэкв ПВэкв/ПВном
Мном*ПВном=Рном*ПВном/wном=9500/83,37=113,47 Н*м
Мэкв ПВэкв/ПВном = 93,59 34/40=86,29< Мном*ПВном
Двигатель проходит по нагреву
5.Проектирование релейно-контакторной схемы управления двигателем постоянного тока.
Двигатель должен иметь возможность реверсирования, а так же пускаться (в две ступени) в обоих направлениях. Проектирование осуществляется следующим образом :
а) Для осуществления реверса предусматриваем в силовой схеме подключение якоря электрической машины к сети через замыкающие контакты контакторов направления (КМ1-контакор «вперёд», КМ2-контактор « назад»), включённые в мостовую схему. В зависимости от того , какие контакты (КМ1 или КМ2) замкнуты, меняется полярность подводимого к якорю напряжения, следовательно, меняется направление вращения двигателя.
б) С целью осуществления двухступенчатого пуска включаем последовательно в цепь якоря два добавочных резистора (Rg1 и Rg2).Для коммутации резисторов (при переходе с одной пусковой характеристики на другую) параллельно им устанавливаем замыкающие контакты контакторов ускорения КМ3 и КМ4.
в) В цепи якоря устанавливаем катушку реле КА2 для максимальной токовой защиты и катушку реле нулевого тока КА1 в цепи обмотки возбуждения двигателя ОВ (для контроля за наличием тока в цепи ОВ (или для контроля за снижением этого тока ниже допустимого уровня).
Далее в силовой схеме для управления этой схемой предусматриваем командоконтроллёр. Автоматизация процесса пуска осуществляется в функции времени. Функцию минимальной защиты осуществляет включаемое в схему реле напряжения KV1. В случае снижения напряжения сети ниже допустимого уровня (0,8-0,85 Uном) исчезает напряжение реле KV1 отпадает к своим замыкающим контактом KV1:1 отключает схему управления, что приводит к отключения силовой схемы от сети и к фиксации механизма с помощью технического тормоза, так как катушка электромагнита тормозного устройства КМ5 в этом случае теряет питание.
Повторное включение электропривода в работу после срабатывания любого вида защит возможно только после установки командоконтроллёра в нулевое положение.
Это нулевая блокировка (защита от самозапуска):она исключает опасность самопроизвольного включения привода в работу после устранения неисправностей или восстановления питающего напряжения, если командоконтроллёр остался не в нулевом положении.
В цепи катушек контакторов направления КМ1 и КМ2 введены размыкающие контакты конечных выключателей SQ1 и SQ2, чтобы в случае, когда перемещаемый механизм выходит за допустимые границы перемещения, механизм специальным упором нажимает на рычаг конечного выключателя SQ1 или SQ2.Последний своим размыкающим контактом снимает питание с катушки соответствующего контактора направления, в результате двигатель отключается от сети. Одновременно снимается питание с катушки электромагнитного тормоза КМ5. При этом механизм фиксируется в неподвижном состоянии механическим тормозом.
Для осуществления электрического торможения типа В в схеме предусматриваем последовательное включение двух тормозных резисторов Rт1 и Rт2(для осуществления торможения устанавливаем параллельно резисторам размыкающий контакт КМ6:2, контактора КМ6). Тормозные резисторы устанавливаются в цепи якоря.
Список литературы
1.Чиликин М.Г., Ключев В.И. «Теория автоматизированного электропривода».М.:Энергия.1979
2.Чиликин М.Г., «Общий курс электропривода».М: Энергоиздат 1981
3.Методические указания по курсовому проектированию дисциплины «Автоматизированный электропривод». Бабокин Г.И., г.Новомосковск
4.Яуре А.С., Певзнер Е.М. «Крановой электропривод»