Электрический привод производственного механизма
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Государственное образовательное
учреждение
Высшего профессионального образования
"НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
Энергетический институт
Направление - Электротехника,
электромеханика, электротехнологии
Кафедра - Электропривод и
электрооборудование
Курсовой проект
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД
ПРОИЗВОДСТВЕННОГО МЕХАНИЗМА
по дисциплине "Электрический привод"
Студентка гр.7А86 А.В. Заостровных
Руководитель
доцент Н.В. Кояин
Томск - 2011
Содержание
Введение
1. Выбор двигателя на основании технического задания
2. Расчёт и построение естественных механических и
электромеханических характеристик двигателя
3. Выбор способа пуска и регулирования скорости в пределах цикла
4. Выбор ящика сопротивлений
5. Расчёт механических характеристик рабочих режимах и в режиме
динамического торможения
6. Расчёт переходных процессов ω=f (t), м=f (t) за цикл работы
и построение нагрузочной диаграммы электропривода
7. Проверка двигателя по нагреву
Заключение
Список литературы
Введение
Электрическим приводом называется электромеханическое
устройство, предназначенное для приведения в движение рабочих органов машин и
управления их технологическими процессами, состоящее из передаточного, электродвигательного,
преобразовательного и управляющего устройств.
Электропривод является преобразователем электрической энергии
в механическую. Кроме функции преобразования энергии, на электропривод
возлагается важная функция управления технологическим процессом приводимого в
движение механизма. Электропривод органически сливается с приводимым в движение
исполнительным механизмом в единую электромеханическую систему, от физических
свойств которой зависят производительность, динамические нагрузки, точность выполнения
технологических операций и ряд других очень важных факторов. Открываются
широкие возможности для формирования путем воздействия на систему управления
электроприводом заданных законов движения рабочих органов машин, осуществления
связанного автоматического управления взаимодействующими в технологическом
процессе механизмами, оптимизации их работы по тем или иным критериям.
В данном курсовом проекте спроектирован электропривод
производственного механизма, на базе двигателя постоянного тока, удовлетворяющий
заданным параметрам и режимам работы. В качестве передаточного устройства
используется редуктор, а в качестве управляющего используется командоаппарат.
1.
Выбор двигателя на основании технического задания
Данные для построения диаграмм:
n1 = - 130 об/мин - частота вращения на 1 рабочей
ступени,
t1 = 16 с - время работы на 1 ступени,
n2 = 60 об/мин - частота вращения на 2 ступени,
t2 = 24 с - время работы на 2 ступени,
t0 =40 с - время паузы.
Нагрузка имеет реактивный характер, т.е. момент меняет свой
знак при изменении направления вращения машины.
Ммех. =750 Н×м - момент нагрузки
(механизма) на валу двигателя,
ηперед. = 0.85 - коэффициент
полезного действия передачи,
Јмех. = 85 кг×м2 - момент
инерции механизма.
Построение тахограммы и нагрузочной диаграммы
производственного механизма:
Рисунок.1. Тахограмма производственного механизма.
Рисунок.2. Нагрузочная характеристика производственного
механизма для активного характера нагрузки.
Расчет мощности электродвигателя и выбор его по каталогу
Определяем продолжительность включения:
%
Выбираем стандартное (15%, 25%, 40%), ближнее по величине,
значение продолжительности включения: ПВкат =40%
Определим диапазон регулирования:
Определяем среднеквадратичное значение мощности за время работы на
основании тахограммы и нагрузочной диаграмм:
кВт,
где m - число рабочих участков в цикле;
- время работы на i-м участке
цикла;
- коэффициент ухудшения теплоотдачи на i-м участке цикла;
- мощность нагрузки на валу механизма на i-м участке цикла.
Определение значений угловых скоростей по ступеням:
рад/с,
рад/с.
Определение мощности на i-м
участке работы:
первая ступень
кВт,
вторая ступень
кВт.
Определим коэффициенты ухудшения теплоотдачи по ступеням по
выражению:
,
где 
- коэффициент ухудшения теплоотдачи при
неподвижном якоре (роторе), принимаемый для двигателей закрытого исполнения без
принудительного охлаждения β0 = 0.95;
Для первого участка
,
Для второго участка
Среднеквадратичное значение мощности:
.
Делаем пересчет среднеквадратичной мощности двигателя на выбранное
стандартное значение ПВ=40%
кВт,
Определяем расчетную мощность электрического двигателя:
где kЗ = (1.1÷1.3) - коэффициент запаса;
ηмех - КПД передачи при nмакс,
Принимаем kЗ=1.2.
кВт.
Выбор двигателя.
Выбираем двигатель постоянного тока с независимым возбуждением,
имеющий следующие паспортные данные (табл.1).
Таблица 1.
|
Тип
|
UH, В
|
РН,
кВт
|
nН, об/мин
|
IH, A
|
Rя+Rд. п., Ом
|
J, кг×м2
|
|
Д-41
|
220
|
17.5
|
1160
|
90.5
|
0,072
|
0,8
|
Определим передаточное отношение редуктора:
,
где 
- номинальная угловая скорость вращения
двигателя.
В нашем случае:
.
Принимаем передаточное отношение редуктора из стандартного ряда
передаточных чисел:
iр. ст =8
2. Расчёт и
построение естественных механических и электромеханических характеристик
двигателя
Определяем сопротивление якоря горячее:
Ом,
где τ -
перегрев обмоток двигателя относительно начальной температуры (15°С), град.
Принимаем τ = 75°С.
Определяем коэффициент полезного действия при номинальной
нагрузке:
.
Определяем коэффициент ЭДС двигателя
.
Определяем номинальный момент на валу двигателя
Н·м.
Определяем электромагнитный момент, соответствующий номинальному
току:
Н·м.
Определяем момент трения на валу электродвигателя
Н·м.
Определяем скорость идеального холостого хода
рад/с.
Определяем скорость вращения по ступеням
, 
, или
,
.
Определяем момент статический по ступеням.
В 1 квадранте (двигательный режим работы) момент ступени
определяется по выражению
М’ с1= М’ с2=М max/iст. р∙η мех=750/8∙0.85=110.29
Н·м.
М с1= М с2= М’ с1 + М с. дв=110.29+13.32=123.61
Н·м.
Проведем расчет естественных электромеханической ω=f (I) и
механической ω=f (М) характеристик двигателя (рис.3).
Выражения для расчета электромеханической и механической
характеристик имеют вид
, 
.
Т.к. между током и моментом у двигателя постоянного тока
независимого возбуждения имеется линейная зависимость М=с·I, то для получения механической характеристики достаточно
пересчитать по оси Х численные значения токов на значения моментов. Расчетные
данные сведем в таблицу 2.
Таблица 2.
|
I, A
|
0
|
Iн =90.5
|
2· Iн=181
|
|
M, Н·м
|
0
|
157.47
|
314.94
|
126.45
|
121.4
|
116.7
|
Рисунок.3. Естественная электромеханическая ω=f (I) характеристика двигателя.
Рисунок.4. Естественная механическая ω=f (М) характеристика двигателя.
3. Выбор
способа пуска и регулирования скорости в пределах цикла
Определяем наибольшие пусковые ток и момент. Для двигателей
обычного исполнения эти величины определяются из условия
I пуск = (1.5÷2) ∙I н =2∙ I н =2∙90.5=181 А,
М пуск =с∙ I пуск =1.74∙181=314.94
Н·м.
Определяем ток и момент переключения из условия
I пер =1.2∙ I н =1.2∙90.5=108.6 А,
Н·м.
Определяем необходимые сопротивления якорной цепи для пусковых и
рабочих ступеней характеристик:
В момент пуска ω=0, следовательно:
R я.
пуск 1=Uн/ I пуск =220/181=1.215 Ом,
А требуемое добавочное сопротивление якорной цепи для первой
ступени пусковой характеристики равно:
Ом.
электрический привод двигатель механизм
Сопротивление второй ступени пусковой характеристики выбираем
из соображения получения симметричной пусковой диаграммы
, 
,
R я.
пуск 2 =0.84Ом.
Ом.
Для рабочих ступеней:
Для первой рабочей ступени при моменте нагрузки Мс1=110.29
Н·м необходимо обеспечить скорость ωи1=-108.85 рад/с. Добавочное сопротивление ступени
определяется из выражения
, 
R я.
ст1=0.507 Ом.
Ом.
Для второй рабочей ступени при моменте нагрузки Мс2=110.29
Н·м необходимо обеспечить скорость ωи2= 50.24 рад/с. Добавочное сопротивление ступени определяется
из выражения
, 
Ом.
Ом.
Для полученных значений добавочных сопротивлений построим рабочие
механические характеристики по ступеням. Расчетные данные сведем в табл.3.
Таблица 3.
|
Пусковая
характеристика 1 ступень
|
|
М, Н·м
|
0
|
Мпер=-225
|
Мпуск=-315
|
|
ω, рад/с
|
-126.44
|
-36
|
0
|
|
Пусковая
характеристика 2 ступень
|
|
М, Н·м
|
0
|
Мпер=-225
|
Мпуск=-315
|
|
ω, рад/с
|
-126.44
|
-64
|
-36
|
|
Первая рабочая
ступень
|
|
М, Н·м
|
0
|
М ст1 =-110
|
М пуск =-315
|
|
ω, рад/с
|
-126.44
|
-108
|
-64
|
|
Вторая рабочая
ступень
|
|
М, Н·м
|
М ст1 =-110
|
330
|
М ст2 =110
|
|
ω, рад/с
|
-108
|
108
|
|
|
|
|
|
Определяем токи по ступеням: для первой ступени
А.
для второй ступени
А.
Определяем продолжительности включений.
.
Определяем продолжительность включения для ступеней:
%;
%.
Определяем расчетные токи, средние за время работы:
А;
А.
Определяем каталожный ток для каждой ступени:
А;
A
4. Выбор
ящика сопротивлений
Выбираем ящики сопротивлений по наибольшему току,
удовлетворяющему условию Iдоп > Iкат. расч:
Rст1=0.4134Ом, Rст2=6.3584 Ом
R’ст2= Rст2 - Rст1=6.3584-0.4134=5.945 Ом.
Ящик сопротивлений №55
|
Продолжительный
ток, А
|
Сопротивление
ящика, Ом
|
Сопротивление
элемента, Ом
|
Число элементов
|
|
64
|
1.1
|
0.055
|
6+4+4+6=20
|
Rст1=4×0.055+4×0.055=0.44Ом
R’ст2=5× Rящ+4×0.055+4×0.055=5.94 Ом
Rст2= Rст1+ R’ст2=0.44+5.94=6.38 Ом (было 6.36 Ом)
Rя. ст1= Rст1+ Rдв гор=0.44+0.0936=0.5336 Ом (было 0.507 Ом)
Rя. ст2= Rст2+ Rдв гор=6.38+0.0936=6.4736 Ом (было 6.452 Ом)
Расчет электромеханических и механических характеристик для
двигательного и тормозного режимов.
Так как полученные значения сопротивлений практически не
отличаются от расчетных, то не будем проводить пересчет механических
характеристик двигателя.
5. Расчёт
механических характеристик рабочих режимах и в режиме динамического торможения
После работы на двух заданных скоростях (ωи1 и ωи2) двигатель необходимо
затормозить до нулевой скорости.
При реактивном характере нагрузки производственного механизма
примем вид торможения - динамическое. Расчет механической характеристики при
динамическом торможении проводится на основании выражения
.
Определяем необходимое сопротивление якорной цепи для режима
динамического торможения. Для этого режима работы при начальном моменте
торможения М, равному М=Мпуск=315 Н·м, необходимо обеспечить
скорость ω=ωи2= 50 рад/с. Добавочное сопротивление
ступени определяется из выражения
, 
,
Rдв. гор+ Rпв= 11.9 Ом;
Rдт=10.75
Rдт= R’1+ R’2+ R’3+ R’4+ R’5=0.7+1.4+2.03+3.64+3.08=10.75 Ом;
Данные для построения характеристики торможения заносим в табл.4.
Таблица 4.
|
М, Н·м
|
0
|
-29.321
|
|
ω, рад/с
|
0
|
101.736
|
Механические характеристики для полного цикла работы
двигателя при реактивном характере нагрузки производственного механизма
представлены на рис.5.
Мпуск - Мпер Мс1 +Мпер
+Мпуск
Рисунок.5. Механические характеристики полного цикла работы
двигателя.
Порядок работы двигателя при полном цикле происходит следующим
образом: в цепь якоря включается добавочное сопротивление первой ступени,
двигатель выходит на первую, вторую пусковые ступени, затем на первую рабочую,
при этом скорость вращения вала двигателя возрастает. Спустя время t1 в цепь якоря вводится добавочное сопротивление второй
ступени, двигатель выходит на вторую рабочую. По истечении времени t2 двигатель переходит в режим динамического торможения,
скорость вращения вала двигателя падает до полной его остановки.
6.
Расчёт переходных процессов ω=f (t), м=f (t) за цикл работы и
построение нагрузочной диаграммы электропривода
Расчет переходных процессов проводим по выражениям
,
,
,
где Мнач, Iнач, ωнач - начальные значения соответственно момента, тока и
скорости;
Мкон, Iкон, ωкон - конечные значения соответственно момента, тока и
скорости;
t - текущее время, с;
- электромеханическая постоянная времени, с;
JΣ - суммарный момент инерции, кг·м2;
;
k= (1.5÷1.3) -
коэффициент, учитывающий момент инерции редуктора, принимаем k=1.4;
Jдв -
момент инерции двигателя, кг·м2;
Jмех -
момент инерции механизма, кг·м2;
- передаточное число редуктора;
Ri - суммарное сопротивление якорной цепи на
соответствующей характеристике, Ом;
кг·м2.
Рассчитываем переходные процессы для пуска первой ступени
(характеристика 1,2,3,4 рис.9):
первая ступень пусковой характеристики
Rст1=1.215
Ом; 
с;
Мнач=Мпуск=-315 Н·м; Мкон. фикт=Мс2=-110
Н·м.
При расчете переходного процесса М=f (t) для первой пусковой характеристики в
качестве конечного значения момента берется величина Мкон. =-225 Н·м
ωнач=0; 
рад/с.
При расчете переходного процесса ω=f (t) для первой
рабочей характеристики в качестве конечного значения скорости берется величина ωкон. фикт, а расчет ведется до значения скорости
равной: 
рад/с.
Полученные значения начальных, конечных значений момента и
скорости подставляем в выражения для расчета переходных процессов.
Полученные расчетные значения заносим в табл.5.
Таблица 5.
|
t, с
|
0
|
0.1
|
0.3
|
0.4
|
0.5
|
0.57
|
|
М, Н·м
|
-315
|
-295.2
|
-261
|
-246.4
|
-223.2
|
-225
|
|
ω, рад/с
|
0
|
-7.9
|
-21.6
|
-27.4
|
-32.7
|
-36
|
По данным табл.5 строим графики переходных процессов М=f (t) и n=f (t) для режима пуска (см.
рис.6).
Рисунок.6. График переходных процессов М,ω=f
(t) для первой ступени
пусковой характеристики (t пп = 0.57 с).
Вторая ступень пусковой характеристики
Rя. пуск1=0.84
Ом; 
с;
Мнач=Мпуск=-315Н·м; Мкон. фикт=Мс1=-110
Н·м.
При расчете переходного процесса М=f (t) для второй пусковой характеристики в
качестве конечного значения момента берется величина Мкон. фикт, а
расчет ведется до значения момента, равному Мпер =-225 Н·м.
ωнач=-36; 
рад/с.
При расчете переходного процесса ω=f (t) для второй пусковой характеристики в качестве конечного
значения скорости берется величина ωкон. =-64 рад/с
Полученные значения начальных, конечных значений момента и
скорости подставляем в выражения для расчета переходных процессов.
Полученные расчетные значения заносим в табл.6.
Таблица 6.
|
t, с
|
0
|
0.1
|
0.2
|
0.3
|
0.39
|
|
М, Н·м
|
-315
|
-287
|
-263
|
-242
|
-225
|
|
ω, рад/с
|
-36
|
-44
|
-51
|
-57
|
-64
|
|
n, об/мин
|
|
|
|
|
|
По данным табл.6 строим графики переходных процессов М=f (t) и n=f (t) для режима пуска на
второй ступени (см. рис.7).
Рисунок.7. График переходных процессов М,ω=f
(t) для второй ступени
пусковой характеристики (t пп = 0.39 с).
Rя. пуск1=0.507
Ом; 
с;
Мнач=Мпуск=-315 Н·м; Мкон. фикт=Мс2=-110
Н·м.
При расчете переходного процесса М=f (t) для выхода на первую рабочую ступень
характеристики в качестве конечного значения момента берется величина Мкон.
фикт, а расчет ведется до значения момента, равному.
ωнач= - 64 рад/с; 
рад/с.
При расчете переходного процесса ω=f (t) характеристики в качестве конечного значения скорости
берется величина ωкон.
фикт, а расчет ведется
до значения скорости, равной:
Полученные значения начальных, конечных значений момента и
скорости подставляем в выражения для расчета переходных процессов.
;
Полученные расчетные значения заносим в табл.7.
Таблица 7.
|
t, с
|
0
|
0.2
|
0.5
|
1.0
|
1.3
|
2.1824
|
|
М, Н·м
|
-315
|
-236
|
-171
|
-128
|
-119
|
-110
|
|
ω, рад/с
|
-64
|
-81
|
-95
|
-104
|
-106
|
-108
|
По данным табл.6 строим графики переходных процессов М=f (t) и ω=f
(t) для выхода на первую
рабочую ступень (см. рис.8).
Рисунок.8. График переходных процессов М,ω=f
(t) для третьей ступени
пусковой характеристики с выходом на первую рабочую ступень (t пп =2.1824с).
Переходные процессы в режиме торможение противовключением с
выходом на вторую рабочую ступень
Rст2=6.452
Ом; 
с;
Мнач=М’пуск=330 Н·м; Мкон=Мс2=-110
Н·м.
ωнач =108 рад/с.
При расчете переходного процесса М=f (t) в качестве конечного значения момента
берется величина Мкон. фикт, а расчет ведется до значения момента,
равному Мc1 =110 Н·м.
ωнач= 108; 
рад/с; 
ωнач= 0; 
рад/с; 
Полученные значения начальных, конечных значений момента и
скорости подставляем в выражения для расчета переходных процессов
Полученные расчетные значения заносим в табл.9.
|
t, с
|
0
|
0.5
|
1.0
|
1.5
|
2.0
|
3.616
|
|
М, Н·м
|
330
|
290
|
253
|
220
|
190
|
110
|
|
ω, рад/с
|
-108
|
-79
|
-54
|
-31
|
-9.9
|
50
|
По данным табл.9 строим графики переходных процессов М,ω=f
(t).
Рисунок.9. График переходных процессов М,ω=f
(t) для перехода на вторую
рабочую ступень (t пп =3.616 с).
Rдт=0.48Ом;
с;
Мнач=Мпуск=-315 Н·м; Мкон=Мс1=110
Н·м. до М=0
ωнач =50 рад/с. 
рад/с до ω=0
Полученные значения начальных, конечных значений момента и
скорости подставляем в выражения для расчета переходных процессов
Полученные расчетные значения заносим в табл.9.
|
t, с
|
0
|
0.1
|
0.2
|
0.4
|
0.5
|
0.525
|
|
М, Н·м
|
-315
|
-218
|
-144
|
-41.6
|
-7.2
|
0
|
|
ω, рад/с
|
50
|
34
|
21
|
3.7
|
2.1
|
0
|
По данным табл.9 строим графики переходных процессов М,ω=f
(t) (см. рис.10).
Рисунок 10. График переходных процессов М,ω=f
(t) в режиме динамического
торможения (t=0.525c)
Рисунок 11. Графики переходных процессов M=f (t) и ω= f (t) заданного цикла работы: I - разгон двигателя в две
ступени с выходом на первую рабочую ступень; II - работа на первой
ступени; III-выход двигателя на вторую рабочую ступень; IV-работа на второй
ступени; V
- режим динамического торможения до нулевой скорости.
7. Проверка
двигателя по нагреву
Проверка двигателя по нагреву (метод эквивалентных величин)
Метод эквивалентного тока
,
где 
- определяем через площадь графика I2=f (t) (см. рис.24,25,26);
tр -
суммарное время работы на скоростях ωи1 и ωи2;
tпп -
суммарное время переходных процессов.
Площадь находим, как сумма площадей, показанных на рисунке:
Например,
Sa=S1a+S1b=t1∙ (32500-16800) ∙0.5+t1∙16800=4456
+9537=13993 A2∙c
Рисунок 12. Переходный процесс работы двигателя
Рисунок 13. Переходный процесс пуска двигателя и выхода двигателя
на первую рабочую ступень и работа на ней
Рисунок 14. Режим перехода двигателя на вторую скорость и работа
на ней
Рисунок 15. Режим динамического торможения со второй рабочей
ступени до нулевой скорости
Правильность выбора двигателя определяется условием
. Имеем
А2; 
А.
Условие проверки двигателя по нагреву
,
=
А.
Условие проверки двигателя по нагреву выполняется.
Заключение
В данной работе был спроектирован электрический привод
производственного механизма с параметрическим регулированием скорости
двигателя.
Был выбран двигатель постоянного тока последовательного
возбуждения типа Д-41, рассчитаны и построены естественные и регулировочные
механические и электромеханические характеристики двигателя, выбран реостатный
способ пуска, регулирования скорости и торможения в пределах цикла, рассчитаны
и выбраны по каталогу ящик сопротивлений №55; рассчитаны и построены переходные
характеристики ω=f (t) и М=f (t) за цикл работы,
произведена проверка выбранного двигателя на нагрев. Выбранный двигатель
удовлетворяет требованиям производственного механизма.
Список
литературы
1.
А.Ю. Чернышев, Н.В. Кояин. Проектирование электрических приводов: Учебно -
метод. пособие. - Томск: Издательство ТПУ, 2005. - 120 с.
.
Р.Ф. Бекишев, Ю.Н. Дементьев. Общий курс электропривода: Учебное пособие. -
Томск: Издательство НИ ТПУ, 2010. - 302с.
.
Н.В. Кояин. Проектирование электрических приводов. Ящики резисторов:
Техническая информация. - Томск: Издательство ТПУ, 2005. - 13 с.