Розрахунок навантажень і вибір елементів електричного двигуна

Розрахунок навантажень і вибір елементів електричного двигуна

Зміст

1.   Мета і зміст роботи

2.   Розрахунок навантажень і вибір елементів силової частини

2.1 Опис робочої машини і технологічного процесу

2.2 Розрахунок діаграми швидкості механізму

2.3 Розрахунок статичних потужностей механізму в сталих режимах

.4 Попередній вибір двигуна

.5 Розрахунок параметрів механічної передачі

.6 Розрахунок навантажувальних діаграм і перевірка двигуна за нагріванням і перевантаженням

.7 Розрахунок і вибір керованого перетворювача

.8 Вибір трансформатора

. Розрахунок статичних механічних характеристик двигуна

4. Розрахунок перехідних процесів в електромеханічній системі

Оцінка результатів роботи

Список літератури

1. Мета і зміст роботи

Метою курсової роботи з дисципліни «Теорія електропривода» є закріплення і систематизація знань шляхом самостійного опрацювання, а також за допомогою консультанта, вирішення комплексної задачі розрахунку електромеханічної системи за заданими технічними умовами.

У роботі виконується розрахунок навантажень, вибір двигуна, вибір напівпровідникового перетворювача, розрахунок параметрів силового каналу, статичних і динамічних характеристик електромеханічної системи.

Таблиця 1 - Технічні дані до розрахунково-графічної роботи

2. Розрахунок навантажень і вибір елементів силової частини

.1 Опис робочої машини і технологічного процесу

Вантажопідйомний візок рухається по похилому рейковому шляху під кутом α до горизонту за допомогою троса, який перекинуто через барабан лебідки. На протилежному кінці троса закріплено противагу. Барабан приводиться в обертання електродвигуном через редуктор (рис. 1).

У період завантаження і розвантаження двигун відключений, а візок утримується електромеханічним гальмом.

У цикл входять наступні операції:

а) завантаження візка протягом часу t₀₁;                                                                         

б) пуск, усталений рух, гальмування до повної зупинки при підйомі візка з номінальним вантажем (відповідно час t_рп, t_уп, t_гп);

в) розвантаження візка протягом часу t₀₂;

г) пуск, усталений рух, гальмування до повної зупинки при спуску порожнього візка (час t_рс, t_ус, t_гс).

Рисунок 1 - Кінематична схема підйомника

2.2 Розрахунок діаграми швидкості механізму

електричний двигун перетворювач трансформатор

Відповідно до завдання в перехідних процесах рух привода є рівноприскореним чи рівноуповільнений. У цьому випадку елементи діаграми швидкості розраховуються за допомогою простих співвідношень.

Час розгону та гальмування візка при підйомі:

Час розгону та гальмування візка при спуску:

Шлях розгону чи гальмування

,

де V₀ - початкова швидкість перехідного процесу, м/с.

Шлях розгону на підйомі:

Шлях гальмування на підйомі:

Шлях усталеного руху на підйомі:

Шлях розгону на спуску:

Шлях гальмування на спуску:

Шлях усталеного руху на спуску:

Час усталеного руху при підйомі та спуску:

За результатами розрахунків побудуємо діаграму швидкості візка у часі V(t).

Рисунок 2 - Діаграма швидкості візка у часі V(t)

.2 Розрахунок статичних потужностей механізму в сталих режимах

Для руху візка з постійною швидкістю двигун повинен створювати зусилля, що дорівнює по величині і має напрям, протилежний рівнодіючій таких сил: складової сили ваги (G+G_г)sinα, ваги противаги G_п, сили тертя коліс об рейки, яка визначається за формулою

де F_N = (G+G_г)cosα - складова сили ваги, перпендикулярна траєкторії руху, Н;_K - радіус колеса, м;_Ц - радіус цапфи, м;

μ - коефіцієнт тертя ковзання в цапфі, (прийняти 0,01);- коефіцієнт тертя катання, (прийняти 0,6 ∙10^-3 м);_т - коефіцієнт, що враховує тертя реборд коліс об рейки (прийняти 1,2).

Рисунок 3 - Схема кінематики підйомника на підйом і на спуск

Підйом:

Спуск:

При опусканні візка складові сил розраховуються з урахуванням того, що G_г=0).

Потужність необхідна для піднімання і опускання візка

За

Рисунок 4 - Діаграма потужності P(t)

.4 Попередній вибір двигуна

Для вибору двигуна спочатку визначають його режим роботи.

Розрахуємо тривалість включення чи відносний час роботи двигуна в циклі роботи механізму, %

Найближче стандартне значення тривалості включення, відповідно до якого вибираються каталожні дані двигуна. ПВ_ст =40 %. Цей режим підходить для повторно короткочасного режиму роботи.

Еквівалентна потужність для повторно-короткочасного режиму роботи S3

,

де Σt_раб - сумарний час роботи механізму в циклі переміщення, без урахування часу стоянки t₀, с.

Номінальна потужність двигуна для режиму S3вибирається відповідно до

де α_п = 1,1...1…1,5-коефіцієнт завищення потужності, що враховує динамічні навантаження на прискорення ротора двигуна та передавального механізму.

За довідником [4] вибираємо двигун постійного струму незалежного збудження.

Вибираємо тип двигуна Д31 Номінальні дані двигуна наводяться в таб.2

;

.5 Розрахунок параметрів механічної передачі

Перетворення обертального руху вала двигуна в поступальний робочого органа здійснюється кінематичним ланцюгом редуктор-барабан-трос.

Необхідний радіус приведення механічної передачі

 м,

де      V_п - швидкість прямого ходу візка, м/с;

ω_Н - номінальна швидкість двигуна, рад/с

Передаточне число редуктора

де      R_Б - радіус барабана, м.

Отримане передаточне число редуктора округляємо до найближчого нормованого значення, яке обирають з ряду: 1,00; 1,12; 1,25; 1,40; 1,60; 1,80, 2,00; 2,24; 2,50; 2,80; 3,15; 3,55; 4,00; 4,50; 5,00; 5,60; 6,30; 7,10; 8,00; 9,00; 10,00, а також ці значення, помножені на 10 і 100. В результаті маємо i_рст=71. В електроприводі візка застосовуємо циліндричні редуктори триступеневого виконання, для яких рекомендуються передаточні числа відповідно 28...180.

З врахуванням стандартного значення передаточного числа і_рст швидкість V_п має бути скоректована

м/с

Номінальний ККД механічної передачі відповідає завантаженню механізму візка на тому напрямку руху, якому відповідає більше значення потужності

де      η_Р - ККД редуктора;

η_б - 0,98 - ККД барабана.

ККД редуктора

,

де η_зп » 0,95...0…0,97 - ККД однієї зубчастої пари при одному ступені редуктора;

m - число ступенів редуктора.

Втрати в редукторі мають постійну складову, що не залежить від навантаження, і змінну складову, залежну від навантаження. Співвідношення цих видів втрат враховується коефіцієнтом К = 1,2...1,5.

.

Коефіцієнти змінних a_v і постійних a_k втрат визначають так:

,

.

ККД редуктора в режимі довільного навантаження при спуску візка менше номінального і визначається за формулою

де     - коефіцієнт завантаження;_і - поточне значення потужності на робочому органі, Вт._нп- номінальна потужність передачі, Вт.

.6 Розрахунок навантажувальних діаграм і перевірка двигуна за нагріванням і перевантаженням

Навантажувальна діаграма електроприводу M=f(t) містить ділянки, що відповідають статичним і динамічним режимам.

Значення статичного моменту двигуна при підйомі та опусканні візка

де Р_п - потужність в режимі піднімання з постійною швидкістю.

Значення динамічного моменту залежить від заданого прискорення, приведеного моменту інерції, знака швидкості і виду режиму (пуск, гальмування).

Сумарний приведений момент інерції привода

 кг*м²,           

де К_J = 1,1...1,2 - коефіцієнт, що враховує інерційність частин, які знаходяться на одному валу з двигуном (муфти, шків електромагнітного гальма, вал і колесо першої ступені редуктора);

J_д - момент інерції двигуна, кг*м² [4];_м - момент інерції обертових частин механізму, кг*м²;_м - маса частин механізму, що рухаються поступально, кг.

Переведемо ньютони в кілограми

 - маса вантажу

 - маса візка

 - маса противаг_м= m_г+ m_в+ m_п=2551+663.26+938.7=4152.96 кг

Динамічний момент та прискорення на вала двигуна:

а) прискорення при підйомі

 рад/с²

б) уповільнення при підйомі

 рад/с²

в) прискорення при спуску

 рад/с²

г) уповільнення при спуску

 рад/с²

Для врахування збільшення нагрівання двигуна з ослабленим магнітним потоком момент при опусканні візка має бути збільшений

де швидкість двигуна при опусканні візка

Визначаю необхідний на даній ділянці момент на валу двигуна

Попередню перевірку двигуна за нагріванням здійснюємо на основі уточненої навантажувальної діаграми методом еквівалентного моменту.

де α, - коефіцієнти погіршення охолодження двигунів у динамічних режимах і в нерухомому стані;

Σt_p, Σt_Т, Σt_у, Σt_о - загальний час розгону, гальмування, усталеного руху і пауз у циклі роботи.

Значення α залежать від конструкції і способу охолодження двигуна і можуть бути прийнятий для захищеного двигуна з самовентиляцією α=0,65

Двигун проходить за нагріванням, якщо виконується умова

.

;

Ступінь наближення до необхідної величини моменту оцінюється величиною відхилення

.

Вважається прийнятим, якщо ΔМ% складає 10…15 %

Рисунок 5 - Навантажувальна діаграма

2.7 Розрахунок і вибір керованого перетворювача

Напівпровідниковий перетворювач вибирається з числа комплектних пристроїв загальнопромислового виконання. Треба обрати тиристорний керований випрямляч за номінальною вихідною напругою, що погоджена зі шкалою номінальних напруг двигунів, і за еквівалентним струмом.

Для вибору струму перетворювача спочатку розраховують момент втрат двигуна в номінальному режимі

 Н*м

де С_дн, I_дн, P_дн, ω_дн - номінальні значення коефіцієнту ЕРС, струму якоря, потужності, кутової швидкості двигуна.

,

де R_ЯД - опір ланцюга якоря двигуна, що містить опори обмоток якоря, додаткових полюсів, компенсаційної обмотки, послідовної обмотки, щіткового контакту, приведені до розрахункової температури ізоляції

,

де R_ядкат - опір ланцюга якоря двигуна, узятий за каталогом при зазначеній температурі, зазвичай 15 ^о С, Ом;

Δt - температура перегріву двигуна понад зазначену в каталозі, яка залежить від класу ізоляції, що застосована в двигуні, і від рекомендацій заводу-виготовлювача, ^оС;

К_Rt - 0,004 1/^оС - температурний коефіцієнт опору міді.

Еквівалентний струм двигуна

 А.

Умова вибору перетворювача за струмом

.

У відповідності з розрахунками вибираємо перетворювач:

ЭПУ1-2-3727Д-УХЛ4, розрахований на струм до 50 А і напругою на 230 В.

 А,

де М_нmax -максимальний момент навантаження з навантажувальної діаграми.

Необхідно враховувати, що кратність припустимого струму перевантаження для перетворювача не збігається з перевантажувальною здатністю двигунів постійного струму і, як правило, менше, ніж в останніх.

Перетворювач необхідно перевірити і за максимальною випрямленою напругою

 В.

Щоб зменшити напругу потрібно зменшити кут управління терісторов.

До складу силової частини ТП входять трифазний силовий трансформатор, тиристорний випрямляч за мостовою чи нульовою схемою і згладжуючий реактор.

.8 Вибір трансформатора

Потужність ланцюга випрямленого струму

Типова потужність трансформатора

 ВА,

де K_S - схемний коефіцієнт_S = 1,045 для мостової схеми випрямлення.

ЕРС вторинної обмотки силового трансформатора

 В,

де Е_2Ф - фазна ЕРС вторинної обмотки трансформатора, В;

К_е - схемний коефіцієнт;

К_е = 0,43 для мостової схеми випрямлення;

К_ез =1,2 - коефіцієнт запасу по ЕРС, що враховує можливі неповне відкриття вентилів, зниження напруги живильної мережі, додаткове спадання напруги в перетворювачі в перехідних процесах.

Лінійний струм вторинного ланцюга трансформатора

А,

де I_d = I_ед - випрямлений струм, А;_I - схемний коефіцієнт;

К_I = 0,817 для мостової і 0,58 для нульової схем випрямлення.

При виборі трансформатора з каталогів виписуються відомості про повну потужність трансформатора, схеми з'єднання, номінальні напруги і струми первинної і вторинної обмоток, дані досліду короткого замикання.

Вибираємо трансформатор типу ТСП-16 / 0,7-УХЛ4

Повний опір фази трансформатора, приведений до вторинної обмотки

Ом,

де Е_2Н, I_2Н - номінальні значення фазних ЕРС і струму вторинної (вентильної) обмотки трансформатора, В, A;_K% - напруга короткого замикання трансформатора, %.

Активний приведений опір фази трансформатора

Ом,   

де ΔР_К.З. - потужність короткого замикання, Вт.

Індуктивний приведений опір фази трансформатора

Ом.

Комутаційний опір вентилів

Ом,

де р - число пульсацій випрямленої напруги за період напруги живлення;

р = 6 для мостової схеми випрямлення.

Повний активний опір ланцюга якоря двигуна

де n - кількість послідовно включених вторинних обмоток трансформатора в режимі випрямлення;

n = 2 для мостової і 1 для нульової схем;

,05 - коефіцієнт, що приблизно враховує опір згладжуючуго реактора і вентилів.

При відсутності у довіднику значення індуктивності обмотки якоря двигуна її розраховують за формулою

 Гн,

де р_д - число пар полюсів двигуна;

К_L = 0,5...0,6 для некомпенсованих і 0,1 для компенсованих машин постійного струму.

Приведена індуктивність фази трансформатора

 Гн,

де f₁ - частота напруги мережі живлення, Гц.

Згладжуючий реактор призначений для збільшення повної індуктивності ланцюга випрямленого струму до величини, що необхідна за умовами обмеження зони переривчастих струмів і пульсацій струму якоря. Зона переривчастих струмів має найбільшу ширину при кті керування тиристорами перетворювача α = 90 ел. град. Повна індуктивність, необхідна для того, щоб струм холостого ходу привода чи мінімальний струм навантаження був на границі цієї зони

,

де  - мінімальне значення струму двигуна, А;

ω_С - кутова частота напруги живильної мережі;_dmax = K_сх Е_2н - максимальна випрямлена ЕРС перетворювача, В;_cx - схемний коефіцієнт, що до рівнює 2,34 для мостової і 1,17 для нульової схем;_2ф - фазна ЕРС вторинної обмотки трансформатора, В;

р - число пульсацій випрямленої напруги за період напруги живлення (р=6 для мостової схеми, р=3 - для нульової).

Індуктивність, що забезпечує необхідний рівень пульсацій струму

 Гн,

де i_1*=0.1 - відносна величина діючого значення струму першої гармоніки; е_1* - відносна величина діючого значення ЕДС першої гармоніки перетворювача; е_1* = 0,24 для схеми випрямлення.

Необхідне значення пульсацій струму узгоджується з керівником проекту і повинно знаходиться в межах 0,02...0…0,15 у залежності від потужності і режиму роботи привода.

Потрібна індуктивність згладжуючого реактора

мГн,

де L₀ - найбільша з індуктивностей L_ОГР, L_ОП

Вибираємо згладжуючий реактор типу СРОСЗ-5000/10МУХЛ4

Після вибору згладжуючого реактора значення індуктивності ланцюга якоря L_0Я може дещо відрізнятися від L₀.

Повна індуктивність ланцюга якоря

 Гн,

де L_ЯД - індуктивність ланцюга якоря двигуна, Гн;_ТР - приведена індуктивність фази трансформатора, Гн;_Р - індуктивність згладжую чого реактора, Гн.

За відомим значенням L_0Я і R₀ визначаємо електромагнітну сталу часу ланцюга якоря .

3. Розрахунок статичних механічних характеристик двигуна

Необхідно виконати розрахунок трьох механічних характеристик двигуна: при роботі на підйом візка з заданою, зі зниженою швидкістю і при спуску візка. Для кожної характеристики визначимо необхідну ЕРС перетворювача

,

де M_пр - момент, що розвивається двигуном при даній швидкості, Нм

ω_пр - задане значення швидкості двигуна, рад/с

) робота на підйом із заданою швидкістю

 рад/с

Значення коефіцієнта С_д для підйому є номінальним.

Для визначення межі зони безперервних струмів на кожній характеристиці визначимо кут керування тиристорами

Граничний струм

А,

де ω_м - кутова частота мережі.

Для знайденого значення струму I_ГР визначаємо момент двигуна

і розрахуємо відповідне значення швидкості двигуна.

) робота на підйом із зниженою швидкістю

 рад/с

Значення коефіцієнта С_д для підйому із зниженою швидкістю є номінальним.

Визначимо кут керування тиристорами

Граничний струм

 А

Для знайденого значення струму I_ГР визначаємо момент двигуна

і розрахуємо відповідне значення швидкості двигуна.

рад/с

) робота на спуск із заданою швидкістю

 рад/с.

Визначимо необхідну ЕРС перетворювача

,

де

Визначимо кут керування тиристорами

Граничний струм

А

Для знайденого значення струму I_ГР визначаємо момент двигуна

і розрахуємо відповідне значення швидкості двигуна.

 рад/с

Розраховані за цією формулою механічні характеристики дійсні не в усьому діапазоні зміни моментів і швидкості. Наприклад, при середньому струмі навантаження, меншому деякого граничного, різко зменшується жорсткість характеристик і змінюється швидкість ідеального холостого ходу.

Рисунок 6 - Механічні характеристики двигуна

4. 
Розрахунок перехідних процесів в електромеханічній системі

Перехідні процеси в системі «тиристорний перетворювач-двигун» розрахувати з використанням пакета Matlab-Simulink. Розрахунок проводиться для заданого керівником режиму роботи відповідно до структурної схеми, що наведена на рис 2.

Рисунок 7 - Структурна схема системи

Перші дві ланки схеми представляють задатчик інтенсивності, що формує задану тахограму. При розрахунку коефіцієнта передачі тиристорного перетворювача К_ТП доцільно вважати, що сигналу керування _У=10 В відповідає ЕРС перетворювача E_d1, що забезпечує задану швидкість піднімання візка, тому К_ТП = E_d1/10. Інші коефіцієнти і сталі часу розраховані в попередніх розділах роботи.

Рисунок 8 - Схема моделі

;

;

;

;

В результаті моделювання отримуємо графіки зміни у часі моменту, е.р.с і кутової швидкості двигуна.

Рисунок 9 - Графік результатів моделювання.

- е.р.с зі значенням 0,376∙Е_d, В

         - кутова швидкість якоря зі значенням 1∙ ω, рад/с

- момент двигуна зі значенням 0,5∙М, Н∙м

Оцінка результатів роботи

В даній курсовій роботі ми розраховували Автоматизований електропривод для візка, який виконує комплекс робіт з переміщення вантажу. Для цього ми провели потрібні розрахунки для вибору необхідного двигуна, а так само вибрали для нього відповідний тиристорний перетворювач, силовий трансформатор і реактор, що згладжує. Також розрахували навантаження, статичні та динамічні характеристики електромеханічної системи. Це дозволило мені удосконалити та систематизувати свої знання з дисципліни "Автоматизований Електропривод", придбати більш широкі знання про вибір двигунів, для реальних робочих об'єктів, які можуть виконувати реальні завдання на різних лініях виробничої або інших сферах. Я на особистому прикладі побачив, як правильний вибір електродвигуна та інших комплектуючих, може вплинути на якість роботи, і найголовніше на ефективність, як технічну так і економічну, підприємства яке використовує даний Автоматичний електропривод. Правильний і продуманий розрахунок може не тільки заощадити гроші на придбання Електропривода, але і збільшити термін його експлуатації в кілька разів.

Список літератури

1.   Комплектные тиристорне электроприводы: Справочник /И.Х. Евзеров, А.С. Горобец, Б.И. Мошкович и др.; Под ред. В.М. Перельмутера. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 319 с.

2.      Справочник по электрическим машинам: В 2 т. /Подобщ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. - М.: Энергоатомиздат. Т. 1. - 1988. - 456 с., Т.2. - 1989. - 688 с.

.        Теорiя електропривода. Пiдручник /М.Г. Попович, М.Г. Борисюк, В.А. Гаврилюк та iн.; За ред. М.Г. Поповича. -К.: Вища школа, 1993.-494 с.

.        Яуре А.Г. Певзнер Е.М. Крановый электропривод: Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 344 с.