Министерство Транспорта РФ.
Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта.
Кафедра
“Электрооборудование судов и береговых сооружений”
Курсовая работа
по ”Теории электропривода”
тема:
Расчет системы электропривода производственного механизма
Новосибирск 2009г.
Содержание
1. Введение
2. Задание на курсовую работу
3. Определение сил и моментов
4. Предварительный расчет мощности электродвигателя
5. Определение передаточного числа редуктора
6. Построение тахограммы и нагрузочных диаграмм
7. Проверка двигателя по перегрузочной способности и мощности
8. Расчет и построение механических (электромеханических) характеристик электропривода
9. Расчет и построение графиков переходных процессов электропривода , и
10. Проверка двигателя по нагреву с учетом реальных переходных режимов
11. Расчет и выбор пусковых резисторов приводного АД
12. Принципиальная электрическая схема электропривода производственного механизма
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Курсовое проектирование является важным этапом изучение курса “Теория электропривода” и предлагает законченным освоение курсов теоретических основ электротехники, теории автоматического управления и электрических машин.
Целью курсовой работы является приобретение навыков в разработке, применение известных методов расчета и проектирование приводов производственных механизмов. Необходимо, прежде всего, уяснить технологические особенности работу механизма: величину и характер изменения статического момента, плавность и пределы регулирования скорости, частоту и условия пусков и торможений, требования к статическим и динамическим режимам и т.д., что позволит выбрать целесообразный тип и рациональную мощность привода. Обеспечивающего высокую производительность производственного механизма, его надежность и долговечность, высокую производительность, имели бы минимальные массогабаритные показатели и энергозатраты, а также возможность комплексной автоматизации данного производственного процесса.
В курсовой работе предусматривается разработка электропривода по системе генератор-двигатель с асинхронным приводом двигателем с фазным ротором для одного из общепромышленных механизмов циклического действия. Выбор такой системы электропривода обусловлен учебными задачами - закрепление знаний по курсу “Теория электропривода”.
2. Задание на курсовую работу
Задачей курсовой работы является разработка разомкнутой системы реверсивного электропривода производственного механизма, выбор и расчет его силовых элементов, расчет и построение нагрузочных диаграмм и тахограммы, статических и динамических характеристик, кривых переходного процессов и проверка двигателя по нагреву.
На рис. 1 приведена кинематическая схема механизма наклонного подъемника, электропривод которого надлежит разработать.
Наклонный подъемник состоит из тележки 1, перемещающемуся по рельсовому пути, уложенному под углом α к горизонтали. Тележка совершает челночное движение по перемещению груза из нижнего положения из точки А в верхнее положение в точку С на расстояние ℓ. После разгрузки в верхнем положении тележка порожней возвращается в нижнее положении, где проводится ее загрузка, а за тем цикл повторяется.
Перемещение тележки осуществляется при помощи троса 5, наматываемого на барабан 2, который сочленяется через редуктор 3 с двигателем 4. Для улучшения режима работы двигателя к барабану через трос 5 присоединяется противовес 6. При остановках в нижнем и в верхнем положениях тележка удерживается с помощью электромагнитных тормозов. В общем случае предлагается, что при пуске двигателя его растормаживание происходит мгновенно в момент времени, когда электромагнитный момент двигателя Мg сравняется со статическим моментом Мс.
Ходовая часть тележки, к.п.д. редуктора и барабана характеризуется следующими величинами:
1) диаметр колеса тележки
2) диаметр цапфы колеса
3) коэффициент трения качания колеса по рельсу
4) коэффициенттрения скольжения в подшипниках колес
5) коэффициент, учитывающий сопротивление движению колеса от трения
его реборды о рельс, от трения на торцевых частях ступицы и т.д.
6) к.п.д. редуктора
7) к.п.д. барабана
8) масса тележки
9) масса груза
10) масса противовеса
11) рабочая скорость
12) ползучая скорость тележки
13) допустимое ускорение тележки
14) момент инерции барабана
15) диаметр барабана
16) угол наклона пути
17) время загрузки tз
=9
18) время разгрузки tр
=7
19) длина пути движения между точками А и С
20) длина пути движения груженой тележки с
21) длина пути разгона и движения порожней тележки с
В качестве электропривода используется система генератор-двигатель постоянного тока независимого возбуждения (Г-Д) с приводным асинхронным двигателем с фазным ротором.
При выполнении курсовой работы необходимо:
1. привести кинематическую схему механизма наклонного подъемника и в соответствии с вариантом записать его показатели;
2. определить величины моментов сопротивления относительно вала барабана для обоих направлений движений тележки;
3. определить предварительную мощность электрических машин системы с учетом ПВ% и рациональное передаточное число редуктора;
4. рассчитать и построить тахограмму и нагрузочные диаграммы , электропривода с учетом динамических нагрузок и при условии постоянства ускорений в периоды переходных процессов;
5. проверить предварительно выбранный двигатель по мощности, используя методы эквивалентных (средних) величин, и по перегрузочной способности. Представить принципиальную схему электропривода;
6. рассчитать и построить статические механические (электромеханические) характеристики для всех режимов работы привода: для груженой и порожней тележки при работе с и ;
7. рассчитать и построить графики переходных процессов электропривода:
, и для всех участков, а также динамическую механическую характеристику ;
8. проверить двигатель по нагреву с учетом реальных переходных процессов;
9. рассчитать и выбрать пусковые резисторы приводного АД
3. Определение сил и моментов
Величина и направление момента на барабане:
где - результирующая реактивной и активной сил, Н;
- сила сопротивления от реактивной статической нагрузки, Н;
- коэффициент сопротивления движению, зависящий от коэффициентов трения качания по рельсу ,м, трения скольжения в подшипниках колес и коэффициента к, учитывающего трения реборды колеса о рельс, торцевых частей ступицы и т.д.;
- радиус цапфы колеса, м;
- диаметр колеса, м;
- нормальная составляющая от веса тележки (при движении вверх , а при движение вниз , Н);
- тангенциальная составляющая от веса тележки , Н;
- вес (сила тяжести) противовеса, Н;
- радиус барабана, м;
Движение вверх
- угловая скорость барабана;
U-скорость движения тележки, ;
- мощность на барабане при подъеме;
Движение вниз
4. Предварительный расчет мощности электродвигателя
Предварительный выбор двигателя может быть выполнен на основании расчета среднего или эквивалентного значения статической мощности за время в пределах цикла:
где - коэффициент, учитывающий отличие динамической
нагрузочной диаграммы двигателя от статической
-
статические мощности на валу двигателя в двигательном (минус) и генераторном (плюс) режимах с учетом к.п.д. редуктора и барабана при движении тележки вверх и вниз.
Мощность двигателя с учетом ПВ%
5. Определение передаточного числа редуктора
Из таблицы приложений выбираем три двигателя серии П:
1) П 31.-; ; ; ; ;
; ; ; ; ;
2) П 41.-; ; ; ; ;
; ; ; ; ;
3) П 42.-; ; ; ; ;
; ; ; ; ;
Выбираем двигатель руководствуясь следующими данными:
,
где - передаточное число редуктора
;
;
;
;
;
- 1)
2)
3)
Выбираем двигатель серии П-42.
Для дальнейших расчетов выбираем ближаешее меньшее стандартное передаточное число редуктора и его тип РМ-500: исполнение 3.
Рассчитываем мощность генератора:
В качестве генератора будем использовать двигатель типа П-41.
Рассчитываем мощность АД:
В качестве гонного двигателя используем асинхронный двигатель серии МТН с фазным ротором:
Тип МТН-111-6: ; ; ; ; ;
; ; ; ; ;
6. Построение тахограммы и нагрузочных диаграмм
Тахограмма представляет собой зависимость . Для построения тахограммы необходимо определить интервалы времени работы двигателя в каждом режиме:
Подъём:
1 интервал- время работы двигателя с и длина участка пути:
2 интервал- время разгона двигателя и длина участка пути:
3 интервал- время перехода от до и длина участка пути:
4 интервал- время работы на и длина участка пути:
где - определяется на пятом интервале из условия, что после отключения напряжения обмотки возбуждения генератора остановка произойдет в конечной точке при замедлении под действием статических сил сопротивления.
5 интервал- время замедления скорости тележки до “0” и длина участка пути:
где -замедление тележки под действием статических сил сопротивления после отключения напряжения обмотки возбуждения генератора , считая условно, что при этом и соответственно становится мгновенно равным нулю;
- момент статических сил сопротивления, приведенный к валу двигателя;
- момент инерции системы производственный механизм- двигатель, приведенный к валу двигателя;
- момент инерции произведенного механизма, приведенный к валу барабана;
6 интервал- время разгрузки:
Аналогично рассчитывается интервалы второй половины цикла. При этом время разгона двигателя и длина пути на спуске равны этим значениям на подъеме:
Спуск: 7 интервал:
8 интервал:
9 интервал:
10 интервал:
11 интервал:
12 интервал:
Нагрузочная диаграмма электропривода представляет собой зависимость или . Учитывая, что при построение нагрузочных диаграмм пренебрегаем электромагнитными постоянными времени системы Г- Д и принимаем , то очевидно, что графики , будут идентичны между собой на всех участках, а - только в установившихся режимах. Момент двигателя, развиваемый при перемещение тележки, определяется из уравнения движения электропривода, записанного относительно вала двигателя:
;
где - момент двигателя, Нм.
- момент статического сопротивления, приведенный к валу двигателя, с учетом потерь в редукторе и барабане, Нм.
-
соотношение между угловыми ускорениями двигателя, барабана и линейным ускорением тележки или угловое ускорение вала двигателя.
Подъем:
На 1 интервале двигатель должен преодолевать как статическую, так и динамическую нагрузки. При этом величина определяется:
На 2 интервале имеет место движение с :
На 3 интервале имеет место замедления тележки:
4 интервал:
5 интервал: в момент времени двигатель отключается от источника питания и тележка останавливается под действием сил статического сопротивления. При этом:
Аналогично рассчитываются и строятся графики и . Для второй части цикла:
Спуск:
7 интервал:
8 интервал:
9 интервал:
10 интервал:
11 интервал:
6. Проверка двигателя по перегрузочной способности и мощности
Построенная нагрузочная диаграмма позволяет проверить правильность выбора двигателя с точки зрения обеспечения перегрузочной способности. Если , где - максимальное значение момента двигателя, определяемое из нагрузочной диаграммы, - перегрузочная способность двигателя по моменту, - номинальное значение момента двигателя:
- условие выполняется.
Воспользуемся методом эквивалентного момента:
;
где m- число рабочих участков;
- момент двигателя на -ом участке, Нм;
- время работы двигателя на -ом участке, с;
- коэффициент ухудшения теплоотдачи на -ом участке;
Приближенное зависимость коэффициента ухудшение теплоотдачи от угловой скорости можно считать линейной. Тогда для установившейся угловой скорости :
;
где - коэффициент ухудшение теплоотдачи при неподвижном якоре (роторе).
Эквивалентный момент равен:
С помощью выражения эквивалентного момента, реальная многоступенчатая нагрузочная диаграмма двигателя приводит
где , -продолжительность рабочего
участка и паузы.
;
где
Как правило, рассчитанная не совпадает со стандартной двигателя, поэтому осуществить приведение полученных эквивалентных значений к ближайшим стандартным :
Если номинальное значение соответствующего параметра предварительно выбранного двигателя со стандартным будет больше (равно) расчетного, например, , то выбор двигателя сделан правильно:
- условие выполняется.
7. Расчет и построение механических (электромеханических) характеристик электропривода
Расчет и построение характеристик и проведем при допущении, что с изменением нагрузки двигателя ЭДС генератора остается неизменной, т.е. его приводной двигатель вращается с неизменной угловой скоростью. Тогда уравнение механической характеристики для - го режима запишется в виде:
;
где - значение ЭДС при которой двигатель работает в - ом режиме, т.е. с или при движение тележки вверх или вниз, В;
- коэффициент ЭДС двигателя, Вс;
- статический момент сопротивления, приведенный к валу двигателя для - го режима, Нм;
- суммарное сопротивление контура якорных цепей двигателя, генератора и соединенных приводов, взятое при рабочей температуре обмоток, Ом;
- сопротивление соединенных приводов, которое принимаем равным
ЭДС генератора при подъеме:
ЭДС генератора при спуске:
Ток и момент короткого замыкания для соответствующего режима определяется выражениями:
;
При подъеме:
При спуске:
8. Расчет и построение графиков переходных процессов электропривода , и
Переходные (динамические) режимы в двигателе связанные с изменением управляющего воздействия (ЭДС генератора) параметров якорной цепи или нагрузки на валу двигателя и т.д., приводят к изменению ЭДС, угловой скорости, момента и тока двигателя и соответственно механических и электромагнитных и тепловых переходных процессов, в виду на весьма большой инерционности и электромагнитных процессов в якорной цепи двигателя (генератора) из-за их быстрого протекания, не учитывают:
При расчете переходных процессов сделаны следующие допущения:
1. Магнитная система генератора не насыщена.
2. Влияние гистерезиса и вихревых токов мало и не учитывается.
3. Реакция якоря и последовательная обмотка генератора отсутствует, а ток якоря на цепь возбуждения не влияет.
4. Магнитный поток двигателя
При скачкообразном приложение к обмотке возбуждения ток будет нарастать по экспоненциальному закону. Для ускорения протекания электромагнитного процесса применяют форсировку, заключающегося в том, что на время пуска к обмотке возбуждения генератора прикладываются повышенное . На рис.4 представлена схема цепи возбуждения генератора с дополнительным резистором , шунтированным на время пуска контактом К2.
При достижение тока величины К2 размыкается и на обмотке возбуждения ограничивается значением . Чем больше первоначальное напряжение тем быстрее идет нарастание и выше его линейность на участке (0-). От величины сопротивления резистора зависит значение перенапряжение (ЭДС) в обмотке возбуждения в момент ее отключения.
;
где - номинальное значение напряжения обмотки возбуждения;
- активное сопротивление обмотки возбуждения.
Чрезмерное перенапряжения может привести к пробою изоляции обмотки возбуждения. Обычно принимаем тогда ;
Сопротивление для схемы включения определяется из выражения:
где - коэффициент форсировки, показывающий во сколько раз приложенное напряжение выше номинального , обычно берется в пределах т.к. дальнейшее его увеличения мало сказывается на уменьшение времени нарастание тока возбуждения.
Индуктивность обмотки возбуждения:
где - число пар полюсов;
- величина магнитного потока, соответствующего определенному значению тока возбуждения , Вб;
- число витков на полюсе;
- коэффициент рассеяния магнитного потока под полюсами.
Электромагнитная постоянная времени контура возбуждения:
;
Величина напряжения на входе схемы возбуждения:
После подачи на схему возбуждения генератора ток обмотки возбуждения начинает увеличиваться, изменяясь по экспоненциальному закону:
При достижение тока возбуждения величины , расщунтируется резистор время нарастания тока возбуждения до :
На первом участке , двигатель неподвижен, уравнения равновесия ЭДС и напряжения якорной цепи системы Г-Д:
;
тогда:
;
;
где - ток короткого замыкания, соответствующая новой электромеханической характеристики , на которой будет работать двигатель после окончания переходного процесса в генераторе.
Продолжительность первого участка определяется как:
когда в момент времени , достигнет такой величины что обеспечит протекание тока и , после чего двигатель начнет вращаться. В соответствии с
;
где - угловая скорость двигателя, соответствующая движению тележки со скоростью и .
- величина тока двигателя при соответствующей нагрузке
Уравнение ЭДС генератора
.
Из этого уравнения можно описать изменение ЭДС генератора на всех участках движения тележки. На участке используется первое слагаемое, т.к. процесс начинается с момента подачи на схему возбуждения генератора и . В момент времени ЭДС генератора достигает величины , которая обеспечивает вращение двигателя в установившемся режиме с , и резисторе расшунтируется.
На интервале ЭДС генератора остается неизменной равной .
Для второго и последующих участков уравнение равновесия ЭДС и напряжений записываются в виде:
где принято: ; ; ; .
После преобразования и решения получим исходные дифференциальные уравнения для определения и :
где - электромеханическая постоянная времени привода, с;
-- ток короткого замыкания, на котором будет работать двигатель после окончания переходного процесса;
-- ток короткого замыкания, на котором работал двигатель до начала переходного процесса в генераторе, А;
- - угловая скорость идеального холостого хода соответствующая , ;
-- угловая скорость идеального холостого хода соответствующая , ;
-- угловая скорость двигателя при ,;
;
где - ток двигателя при ,;
-- ток двигателя до начала переходного процесса, А;
-- угловая скорость двигателя до начала переходного процесса, ;
, ,
На участке в момент времени происходит расшунтирование резистора и ЭДС генератора становится неизменной и равной , но величина и не достигнут еще своих установившихся значений и переходной процесс будет продолжаться еще некоторое время. Зависимость и описывается уравнениями, где первые слагаемые равны нулю, так как: , , а и равны соответствующим их значениям в конце предыдущего участка:
На оставшихся участках все процессы будут представлены следующими уравнениями:
для участка : , , , ,
для участка : , , ,
На участке в обмотке возбуждения генератора переходного процесса нет и следовательно, двигатель работает на характеристике, обеспечивающий движение тележки с , поэтому ; ; и равны соответствующим значением величин в конце предыдущего участка:
На участке , после отключения питания обмотки возбуждения генератора, изменение тока и угловой скорости (до остановки двигателя) описывается тем же уравнениями, что и на участке , т.е. , . При этом и соответствует току короткого замыкания и угловой скорости холостого хода исходной характеристики, где обеспечивалось движение тележки с ; ; ; .
В момент времени двигатель останавливается, а ЭДС генератора . Время торможение двигателя определяется из
где второе слагаемое приравнивается к , а
На участке , после остановки двигателя:
;
где - ЭДС генератора в момент остановки двигателя
Схема включения обмотки возбуждения
Кривая изменения
1) участок
2) участок
3) участок
4) участок
5) участок
6) участок
7) участок
9. Проверка двигателя по нагреву с учетом реальных переходных режимов
Метод эквивалентного момента:
Двигатель выдержал проверку с учетом переходных процессов.
10. Расчет и выбор пусковых резисторов приводного АД
Если мощность сети достаточна и допускает прямой пуск асинхронного двигателя, то в качестве приводного двигателя используется асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Т.к. в задании на курсовую работу мощность сети не оговаривается и, учитывая учебный характер работы, то предусматривается осуществлять непрямой пуск приводного двигателя, т.е. использовать асинхронный двигатель с фазным ротором. Необходимо рассчитать величину сопротивлений пусковых ступеней и выбрать тип используемых резисторов.
Асинхронный двигатель серии МТН с фвзным ротором:
Тип МТН-111-6: ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;
Для определения числа ступеней:
где - пиковый момент;
- переключающий момент.
Учитывая, что приводной двигатель пускается практически в холостую, то его статический момент холостого хода будет составлять не более , поэтому момент переключения можно брать в пределах , т.е.
m=1 –округленное до целого числа ступеней пуска.
Кратность пусковова момента по отношению к переключающему
Уточним значение:
Пусковая диаграмма асинхронного двигателя приведена на рис. 8 и имеет одну ступень ускорения.
Рассчитаем величину сопротивления ступени реостата для случая соединение обмоток ротора в звезду:
Полное сопротивление (активное) линий ротора:
Выбираем тип резисторов: тип с фехралевыми элементами, сопротивление ящика ; ток продолжительного режима (превышение температуры ) ; постоянная времени нагрева ; масса ящика .
Режим работы тока в резисторе кратковременный. Тепловой расчет сводится к определению эквивалента изменяющегося по времени тока:
где, - постоянный по величине ток, который вызывает установившейся перегрев резистора, равный максимальному перегреву от действия изменяющегося тока в рассмотренном промежутке времени;
- постоянная времени нагрева;
- эквивалентный ток (по теплу) и постоянный по величине ток;
;
где , - значение токов в начале и конце интервала, с помощью формулы Клосса строим пусковые характеристики.
;
Таблица зависимости :
Время разгрузки на ступени:
где - суммарный момент инерции вращающихся частей системы приводной двигатель-генератор, приведенный к валу ротора приводного двигателя.
При любых значениях тока, проходящего через резистор, средний ток имеет наименьшую величину, большее значение имеет эквивалентный ток по теплу и самое большее значение – эквивалентный по перегреву.
Для многих практических случаев, когда время цикла по отношению к постоянной времени нагрева мало, удовлетворительные результаты можно получить, если эквивалентный по перегреву ток определить как эквивалентный по теплу, т.е.
Заключение
Мне удалось спроектировать разомкнутую систему реверсивного электропривода производственного механизма, выбрать и рассчитать его силовые элементы, рассчитать и построить нагрузочные диаграммы и тахограммы, статические и динамические характеристики, кривые переходного процесса и проверить двигатель по нагреву.
Срок службы машин электропривода зависит от температур, при которых они работают. Если температура машины во время работы чрезмерно повышается, это может вызвать повреждение изоляции, следовательно необходимо определить оптимальную температуру окружающей среды. Во время работы электрических двигателей возможны различные нарушения нормального режима работы.
В этом случае во избежание порчи изоляции двигателя и нарушения целости обмоток и электрических соединений двигатели должны иметь защитные устройства, обеспечивающие своевременное отключение их от сети.
Также опасны для двигателя короткие замыкания, которые могут происходить в его обмотках. Защита двигателей от перегрузок и коротких замыканий называется максимальной токовой защитой. Максимальная защита осуществляется плавкими предохранителями, токовыми реле, тепловыми (термическими) реле. Выбор тех или иных защитных устройств зависит от мощности, типа и назначения двигателя, пусковых условий и характера перегрузок.
Выбрали двигатель:
П 32.-; ; ; ; ; ; ; ; ; ;
В качестве генератора использовали двигатель типа:
П 31.-; ; ; ; ; ; ; ; ; ;
В качестве гонного двигателя используется асинхронный двигатель серии МТН с фазным ротором:
Тип МТН-111-6: ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;
Список используемой литературы
1. Методические указания к курсовой работе, под редакцией Н.С. Бурянина. 1988г.
2. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. “Теория электропривода”,М. энергоиздательство 1981г.
3. Валеневский С.Н. “Характеристики двигателей в электроприводе” М. энергия 1977г.