Проектирование электропривода толкателя методической печи

1. Введение

2. Описание рабочей машины и ее технологического процесса

3. Расчет моментов статических сопротивлений

4. Требования, предъявляемые к электроприводу

5. Выбор электродвигателя

5.1 Выбор двигателя

5.2 Выбор редуктора

6. Расчет приведенных статических моментов и коэффициента жесткости

6.1 Расчет приведенных статических моментов

6.2 Расчет приведенных моментов инерции

7. Предварительная проверка двигателя по производительности и нагреву

8. Выбор преобразователя

9. Расчет статических характеристик электропривода

9.1 Расчет естественной характеристики

9.2 Электромеханические характеристики

10. Расчет параметров схем включения, обеспечивающих работу в заданных точках

11. Расчет параметров схем включения, обеспечивающих пуск и торможение

12. Структурные схемы электропривода

13. Расчет переходных процессов и построение нагрузочных диаграмм

14 Проверка электропривода на производительность, нагрев, перегрузочную способность ЗАКЛЮЧЕНИЕ Список использованной литературы

1.

Введение

Расчетно — пояснительная записка к курсовому проекту на тему «Проектирование электропривода толкателя методической печи» содержит 87 страниц текста, 22 рисунка. Записка включает в себя следующие разделы:

ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ МАШИНЫ И ЕЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА, РАСЧЕТ МОМЕНТОВ СТАТИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ, ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТОКА И ТИПА ЭЛЕКТРОПРИВОДА, ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ, ВЫБОР РЕДУКТОРА, РАСЧЕТ ПРИВЕДЕННЫХ СТАТИЧЕСКИХ МОМЕНТОВ, ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ДВИГАТЕЛЯ ПО НАГРЕВУ, ВЫБОР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ, СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОПРИВОДА, СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, РАСЧЕТ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ, ПРОВЕРКА ПО ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И НАГРЕВУ, ЭНЕРГЕТИКА.

В ходе проекта описывается синтез привода, работающего в пуско — тормозном режиме. Приводится расчет моментов статического сопротивления, выбор редуктора, двигателя, преобразователя частоты. Приведены кривые статических характеристик, кривые переходных процессов. Произведена оценка влияния на переходные процессы инерционностей механической и электромагнитной систем. Описан и применен один из методов проверки двигателя на нагрев — метод эквивалентного тока.

2. Описание машины и ее технологического процесса Схема электропривода толкателя методической печи приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 — Кинематическая схема толкателя методической печи

1 — печь; 2 — заготовка в печи; 3 — подающий рольганг; 4 — опорный ролик; 5 — заготовка; 6 — реечная шестерня; 7 — толкатель; 8 — редуктор; 9 — тормозной шкив; 10 — электродвигатель.

Толкатель методической печи предназначен для подачи заготовки 5, поступающей по подающему рольгангу 3, в методическую печь, где происходит разогрев заготовок. Толкатель представляет собой механизм, движущийся возвратно-поступательно. Поступательное движение обеспечивается применением реечной шестерни, которая через муфту соединена с редуктором. На другом валу редуктора расположен электродвигатель, приводящий в движение толкатель.

После того, как заготовка поступает к толкателю по рольгангу, толкатель включается и производит перемещение заготовки на ширину рольганга, подавая ее в печь. После соприкосновения с другими заготовками толкатель должен переместить все заготовки, находящиеся в печи, на расстояние, равное ширине одной заготовки. После этого толкатель реверсируется и перемещается в исходное состояние с заданной скоростью.

Все параметры данного привода сведены в таблицу 1.

Таблица 1 — Технические данные толкателя

3. Расчет моментов статических сопротивлений и предварительный расчет мощности электродвигателя В данном пункте нам необходимо предварительно оценить мощность двигателя. Для расчета этой мощности необходимо посчитать нагрузку (статические моменты).

Для определения статических моментов необходимо выделить участки, в которых создается сопротивление движению системы. В нашем случае это:

— подшипники (момент сил трения в подшипниках);

— опорные ролики (момент сил трения качения);

— заготовка, скользящая по поду печи (момент сил трения скольжения тела по горизонтальной плоскости).

Момент сил трения в подшипниках:

(3.1)

где — масса деталей и узлов, опирающихся на подшипники, кг;

— диаметр шейки вала или оси, м;

— коэффициент трения скольжения в подшипниках;

— ускорение силы тяжести.

Момент сил трения скольжения тела по горизонтальной плоскости:

(3.2)

где — масса движущегося тела, кг;

— коэффициент трения скольжения тела по плоскости;

— диаметр барабана (звездочки), находящегося на выходном валу редуктора и преобразующего вращение в поступательное движение тела, м.

Момент сил трения качения:

(3.3)

где — масса деталей, опирающихся на узел качения, кг;

— коэффициент трения качения, м.

В данном механизме на подшипники опирается сам толкатель, чья масса составляет 6000 кг.

В соответствии с формулой (3.1) имеем:

.

В соответствии с формулой (3.2) для этапа толкания одной заготовки по рольгангу имеем:

;

Для толкания всех заготовок по поду печи:

.

В соответствии с формулой (3.3) момент сил трения качения:

.

Суммарный статический момент при движении заготовки поперек рольганга:

.

Суммарный статический момент при толкании всего количества заготовок по поду печи:

.

Суммарный статический момент при реверсировании толкателя:

.

Рассчитаем и построим зависимость скорости рабочей машины от времени, основываясь на данных допустимых скоростей и ускорений на отдельных участках.

Время пуска до заданной скорости движения толкателя при движении вперед:

(3.4)

где — заданная скорость движения, ;

— допустимое ускорение, .

При движении вперед:

.

При движении назад:

.

Путь, проходимый рабочей машиной за время пуска:

(3.5)

При движении вперед:

При движении назад:

.

Время установившегося режима движения со скоростью :

(3.6)

где — весь путь, проходимый рабочим органом, м.

В соответствии с формулой (3.6) для движения вперед:

.

Для движения назад:

.

На основании полученных временных интервалов построим зависимость скорости рабочей машины от времени на рисунке 2.

Рисунок 2- Зависимость скорости и момента рабочей машины от времени Для определения динамических моментов рабочей машины рассчитывается момент инерции рабочей машины:

(3.9)

где — массы поступательно движущихся частей (штанга и заготовка соответственно), кг;

— диаметр шестерни, находящейся на выходном валу редуктора и преобразующей вращение в поступательное движение, м.

В соответствии с формулой (3.9) для движения вперед:

;

При толкании заготовок по поду печи:

;

При реверсировании толкателя:

.

Зная моменты инерции, можно определить динамические моменты, так как известно допустимое ускорение при разгоне и торможении:

(3.10)

Разгон привода с заготовкой:

Н•м;

Торможение при толкании тридцати заготовок по поду печи:

Н•м;

Разгон и торможение при возврате в начальное положение:

Н•м.

Полный момент рабочей машины находится по формуле (3.11):

(3.11)

На рисунке 3 изобразим диаграммы моментов (статического и полного) в зависимости от времени, а в таблице 2 для каждого участка запишем величины моментов, скоростей, ускорений, моментов инерции и пройденного пути.

Рисунок 3 — Диаграммы моментов и скорости в зависимости от времени

Таблица 2 — Предварительный расчет нагрузочных диаграмм:

По рассчитанным значениям моментов на каждом участке можно найти среднеквадратичное значение момента:

(3.12)

где — момент на K-м участке, Н•м;

— длительность K-го участка, с Получаем значение момента:

Н•м.

Тогда мощность двигателя определяется по формуле:

(3.13)

где =1.3…1.5 — коэффициент, учитывающий динамические нагрузки, обусловленные вращающимися элементами электропривода, то есть двигателем, редуктором, а также потери в редукторе;

D — диаметр шестерни выходного вала редуктора, м;

— основная скорость движения, м/с;

— фактическое значение относительной продолжительности включения проектируемого привода;

— ближайшее к ПВф каталожное значение относительной продолжительности включения для электродвигателей выбранной серии.

Фактическое значение ПВ рассчитаем, зная длительность времени работы tK на всех участках движения и заданному времени цикла:

(3.14)

где z=45 — число циклов работы машины в час.

с.

(3.15)

В соответствии с формулой (3.15):

.

Для двигателей краново-металлургической серии ряд ПВ: 25, 40, 60, 100%. Выбираем ближайшее большее ПВ, то есть ПВкат=25.

Тогда мощность двигателя (в соответствии с формулой (3.13)):

Вт.

4. Требования, предъявляемые к электроприводу и обоснование выбора тока и преобразователя При выборе системы электропривода необходимо учитывать совокупность требований, предъявляемых к электроприводу.

Основными требованиями, которые должны быть безусловно выполнены при проектировании электропривода, являются требования технологические:

— должна бать обеспечена заданная производительность механизма; никогда снижение производительности не окупается снижением стоимости оборудования;

перемещение рабочего органа должно выполняться в пределах заданного времени;

ускорение рабочей машины не должно превышать заданного (допустимого) значения;

— отклонение скорости установившего режима не должно превышать заданного значения (заданного статизма); по требованию рабочей машины электропривод должен обеспечивать реверс.

К требованиям, обеспечивающим надежную и экономичную работу электропривода в течение срока эксплуатации оборудования, относятся:

— величина эквивалентного тока (момента) должна быть в пределах 0,85…1 ее допустимого значения;

— тиристорный преобразователь и двигатель должны выдерживать

возникающие кратковременные перегрузки;

— величины сопротивлений пуско-тормозных резисторов не должны отличаться от расчетных значений более чем на 5%;

— величина эквивалентного по нагреву тока резисторов должна

быть в пределах 0,7—1 длительного тока резистора наиболее нагруженной ступени;

— экономичность системы электропривода должна быть максимальной, обеспечивающей минимум капитальных затрат и минимум потерь энергии.

При разработке требований к электроприводу необходимо учитывать условия электроснабжения рабочей машины (возможные колебания напряжения от +10% до -15% от номинального напряжения питающей сети), а также возможные изменения технологического процесса (разброс масс перемещающихся грузов вызывает изменение статического момента от +10% до -10% от номинального момента двигателя).

Обоснуем выбор асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и преобразователь частоты как средство управления им.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет ряд преимуществ перед машиной постоянного тока:

· Из-за отсутствия коллектора и какого-либо подвижного контакта между ротором и сетью сводит к минимуму уход за двигателем, а также резко уменьшает его стоимость;

· Питание от сети переменного тока убирает необходимость дополнительного преобразователя;

· Двигатель отличается равномерным распределением обмоток статора и ротора Рассмотрим преимущества преобразователя частоты:

· Преобразователи частоты обеспечивают плавный пуск двигателя, что позволяет избежать резких бросков тока, вредящих двигателю;

· Наличие задатчика интенсивности позволяет задавать время пуска и торможения двигателя;

· Преобразователи частоты достаточно компактны в сравнении со станциями управления;

· Преобразователь обеспечивает высокий диапазон регулирования;

· Наличие двухзвенной структуры преобразования энергии (преобразователь со звеном постоянного тока) обеспечивает большую точность выходных параметров;

5. Выбор электродвигателя: определение передаточного числа и выбор редуктора

5.1 Выбор электродвигателя Выбор электродвигателя произведем по каталогу двигателей краново-металлургической серии — они имеют некоторые преимущества:

· усилены обмотки статора и ротора;

· снижены моменты инерции;

· увеличена перегрузочная способность двигателей.

Выбираем двигатель так, чтобы значение его мощности при ПВкат было равно или несколько больше мощности, которую мы рассчитали в предыдущем пункте.

Из асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором выбираем двигатель МТКH112−6, так как его мощность при ПВ=25% равна 5,3 кВт, что больше рассчитанной нами в предыдущем пункте.

Таблица 3 — Номинальные данные двигателя МТКH112−6

5.2 Определение передаточного числа редуктора и выбор редуктора Передаточное число редуктора определим по известной номинальной скорости вращения выбранного электродвигателя и по основной скорости рабочего органа:

(5.1)

где — номинальная скорость вращения двигателя, ;

D — диаметр колеса, преобразующего вращательное движение вала в поступательное, м;

— основная скорость рабочего органа, .

В соответствии с формулой (5.1) имеем:

.

Выберем редуктор, исходя из того, что передаточное число должно быть равным или несколько меньшим рассчитанного, при этом должны быть учтены условия работы механизма, номинальная мощность и скорость двигателя.

Режим работы редуктора в заданном механизме является тяжелым, поэтому принимаем при выборе редуктора коэффициент условий работы k=1.5 для тяжелого режима работы. Тогда расчетная мощность редуктора рассчитывается по формуле (5.2):

(5.2)

где — наибольшая мощность, передаваемая рабочей машиной, Вт.

Вт (5.3)

В соответствии с формулой (5.2):

.

По полученной мощности выбираем редуктор. Выбранный редуктор: Ц2−400; крутящий момент на тихоходном валу: M2=16 800 Н•м при скорости вращения быстроходного вала .

Таблица 4 — Характеристики редуктора Ц2−400

6. Расчет приведенных статических моментов и коэффициента жесткости системы электропривод-рабочая машина

6.1 Расчет приведенных статических моментов После выбора электродвигателя и редуктора, а также после расчета моментов сопротивления можно привести статические моменты системы к валу двигателя, воспользовавшись формулой (6.1):

(6.1)

где — статический момент рабочей машины, Н•м;

— передаточное отношение выбранного редуктора.

Результаты расчета занесены в таблицу 2 для каждого участка.

Тогда статический момент на валу двигателя:

(6.2)

где — коэффициент полезного действия выбранного редуктора.

В тормозных режимах момент рассчитывается по формуле (6.3):

(6.3)

Это связано с тем, что энергия поступает с вала двигателя и, за вычетом потерь в передаче, поступает на двигатель.

Приведенные статические моменты системы электропривод — рабочая машина рассчитывают для каждого участка с учетом режима работы привода:

(6.4)

где — момент потерь холостого хода двигателя, Н•м.

Расчет моменты холостого хода асинхронного привода очень сложен, поэтому данный момент мы не учитываем, принимая: .

Принимаем КПД редуктора равным 0,96 и расчеты заносим в таблицу 2.

6.2 Расчет приведенных моментов инерции и коэффициентов жесткости Необходимо привести моменты инерции всей системы к валу двигателя для того, чтобы заменить систему на эквивалентную.

Суммарный приведенный момент инерции:

(6.5)

где — приведенный к валу двигателя момент инерции поступательно и вращательно движущихся частей системы, кг•м2;

— момент инерции ротора выбранного двигателя, кг•м2;

— коэффициент, учитывающий момент инерции остальных моментов электропривода: тормозного шкива, муфт, редуктора, и т. д.

Приведенный момент инерции рабочей машины к валу двигателя:

(6.6)

Найдем приведенный суммарный момент инерции:

J1,J2,J3 — моменты инерции соответствующих зубчатых колес редуктора, кг•м2;

JТШ — момент инерции тормозного шкива, кг•м2;

JМ — момент инерции соединительной муфты, кг•м2;

Имеем:

В данной формуле принимаем:

(6.7)

Тогда:

(6.8)

где — установившаяся скорость двигателя, ;

— количество толкаемых заготовок.

Установившуюся скорость двигателя находим по формуле (6.9):

(6.9)

Для каждого участка проведены расчеты и все значения занесены в Таблицу 2.

Рассчитаем пусковые и тормозные моменты двигателя, которые требуются для разгона и торможения привода.

Пусковой момент:

(6.10)

где — статический момент сопротивления движению, Н•м;

— динамический момент, Н•м.

Динамический момент рассчитываем по формуле (6.11):

(6.11)

где — допустимое ускорение при пуске и торможении, ;

D — диаметр шестерни, преобразующей вращение в поступательное движение, м;

J — приведенный момент инерции привода, кг•м2.

Тормозной момент:

(6.12)

Проведем расчет для разгона привода при толкании одной заготовки:

Н•м;

Н•м.

Пусковой момент меньше максимально допустимого, значит ускорения снижать не требуется.

Торможение при толкании всех заготовок:

Н•м;

Н•м;

Пуск при реверсе:

Н•м;

Н•м.

Торможение при реверсе:

Н•м;

Н•м.

Ни на одном участке момент при торможении или разгоне не оказался выше максимального момента двигателя.

Средний момент двигателя принимаем равным моменту, допустимому по ускорению:

Пуск: ;

Торможение: .

Приведем крутильную жесткость рабочего вала к валу двигателя:

(6.13)

.

7. Предварительная проверка двигателя по производительности и нагреву Целью предварительной проверки двигателя является уточнение нагрузочных диаграмм момента, а также диаграммы скорости с учетом момента инерции выбранного двигателя.

Рассчитаем времена переходных процессов для каждого участка по формуле (7.1):

(7.1)

где J — приведенный момент инерции системы к валу двигателю, кг•м2;

— установившаяся скорость двигателя, ;

— средний момент двигателя, Н•м;

— приведенный статический момент, Н•м.

Угол поворота вала двигателя за время переходного процесса:

(7.2)

Время работы с установившейся скоростью:

(7.3)

где — угол поворота вала двигателя, соответствующий величине перемещения в данном режиме, рад;

— угол поворота вала за время пуска и торможения, рад.

Угол поворота вала двигателя, соответствующий величине перемещения в данном режиме:

(7.4)

Результаты расчета сведены в Таблицу 2.

Приведем расчет для движения вперед.

Время разгона привода:

с;

Время торможения привода:

с;

Угол поворота вала двигателя за время переходного процесса:

рад;

Время работы с установившейся скоростью:

с.

Суммарное фактическое время работы привода:

с.

Полученное время меньше заданного времени работы привода, то есть требование по производительности выполнено.

Предварительная проверка двигателя по нагреву производится по величине среднеквадратичного момента:

(7.5)

где допускаемый момент:

.

Фактическое значение ПВ:

.

Фактическое ПВ:

%.

Допускаемый момент:

.

Уменьшаем допустимый момент на 20%:

Н•м.

33<95.2

Среднеквадратичный момент меньше допустимого, следовательно двигатель не перегревается.

8. Выбор преобразователя Управление двигателем будем осуществлять преобразователем частоты, то есть двигатель будет питаться не от цеховой сети, а от отдельного индивидуального преобразователя частоты (ПЧ).

Питание может осуществляться как от преобразователя с непосредственной связью (НПЧ), так и от двухзвенного преобразователя с автономными инверторами (ПЧИ).

НПЧ выгодно и целесообразно использовать в системах, у которых диапазон выходных частот находится в пределах 25…12,5 Гц.

При выходных частотах 50Гц и ниже используют преобразователи ПЧИ. Применение автономных инверторов тока целесообразно в приводах с поддержанием момента.

Выбор преобразователя частоты осуществляется, исходя из условия:

где — номинальное линейное напряжение и ток нагрузки преобразователя частоты;

— номинальное линейное напряжение и фазный ток статора двигателя.

Согласно упомянутым требованиям, выбираем преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения (ПЧИ).

Выбранный преобразователь: ЭКТ3Р-25/380−50-УХЛ4.

Таблица 5 — Параметры преобразователя частоты ЭКТ3Р-25/380−50-УХЛ4

двигатель электропривод редуктор жесткость Питающая сеть:

· Номинальное напряжение питающей сети: 380 В;

· Частота: 50 Гц;

· Число фаз: 3;

Выходные параметры:

· Номинальное выходное напряжение: 380 В;

· Номинальный ток 25 А;

· Номинальная частота: 50 Гц;

· Полный диапазон регулирования выходного напряжения 38−380В;

· Рабочий диапазон регулирования выходной частоты 5−60 Гц;

Данный преобразователь обеспечивает плавный разгон, торможение и реверс двигателя изменением частоты, величины напряжения и порядка чередования фаз выходного напряжения ПЧ, при этом закон изменения частоты задается в виде электрического сигнала с использованием задатчика интенсивности, возможность регулирования ускорения изменением частоты.

9. Расчет статических характеристик электропривода При расчете статических характеристик необходимо обеспечить задачи, поставленные выполнением технологии:

· Рабочие скорости рабочего и обратного хода должны быть обеспечены с заданной степенною точности;

· Ускорение электропривода не должно превышать допустимых значений.

9.1 Расчет естественной характеристики двигателя Для расчета естественной характеристики потребуются данные, которые сведены в таблицу 6.

Таблица 6 — Данные для расчета естественной характеристики

Так как сопротивление цепей статора и ротора неизвестны, воспользуемся приближенной формулой, для определения критического скольжения, в которой принимаем

.

Критическое скольжение:

(9.1)

где — номинальное относительное скольжение;

— перегрузочная способность двигателя.

Номинальное относительное скольжение:

(9.2)

.

Перегрузочная способность:

Критический момент (формула (9.1)):

Получаем для двигательного режима.

Получаем механическую характеристику:

Таблица 7 — Данные для построения механической характеристики

Рисунок 4 — Механическая характеристика двигателя

9.2 Электромеханические характеристики двигателя Электромеханические характеристики — это зависимости частоты вращения ротора двигателя от тока статора, от тока ротора, от тока намагничивания.

Для расчета используем формулы профессора Шубенко. Они получены при неучете активного сопротивления статора двигателя, но используют каталожные данные.

Ток намагничивания:

(9.4)

А.

Ток ротора:

(9.5)

где — номинальный ток ротора двигателя, А.

Ток статора:

(9.6)

На рисунке 5 приведены электромеханические характеристики, построенные по данным формулам.

Рисунок 5 — Электромеханические характеристики двигателя

10. Расчет параметров схем включения двигателя, обеспечивающих работу двигателя в заданных точках В данном пункте необходимо рассчитать напряжение и частоту на выходе преобразователя частоты, которые обеспечат работу двигателя в заданной точке при движении вперед и назад.

Так как двигатель питается от преобразователя частоты, то частота регулируется плавно.

Так как обычно преобразователи частоты имеют внутренние обратные связи, то потери напряжения и мощности можем не учитывать, и напряжение и частоту на статоре двигателя будем считать независящими от нагрузки.

Синхронная скорость:

(10.1)

где — частота на выходе преобразователя, Гц;

— число пар полюсов двигателя.

Для выбранного двигателя число пар полюсов: p=3, тогда:

р/с.

При изменении частоты необходимо поддерживать перегрузочную способность двигателя, поэтому прибегают к использованию определенных законов регулирования.

Данный преобразователь обеспечивает закон регулирования:

при частоте статора, меньшей номинальной, и постоянство напряжения на уровне номинального при скорости выше номинальной.

При таком законе регулирования максимальный момент при изменении частоты ниже номинальной остается постоянным, и механическая характеристика остается параллельной сама себе. При этом условии синхронная скорость, соответствующая заданной точке:

(10.2)

где — отклонение скорости от синхронной при заданном моменте, р/с.

Частота напряжения в заданной точке рассчитывается по формуле (10.3):

(10.3)

где — синхронная скорость при номинальной частоте 50 Гц.

Напряжение на статоре:

(10.4)

где — индуктивное сопротивление короткого замыкания, Ом.

Для каждого участка диаграммы скорости и моментов рассчитаем необходимое значение напряжения и частоты.

10.1 Работа привода при движении вперед с одной заготовкой Отметим на рисунке 6 заданную точку.

Заданная точка: M=5,76 Н•м; =82.7 .

.

Тогда заданная частота:

Гц.

Напряжение на статоре в заданной точке:

В.

10.2 Работа привода при движении вперед с 30 заготовками Отмечаем на рисунке 6 заданные точки: M2=100.3 Н•м; 2=82.7 .

Так как скорость не успеет возрасти до заданного значения, то выберем новую скорость на механической характеристике при толкании 1 заготовки при заданном моменте (2=74.3).

Синхронная скорость для характеристики, проведенной через данную точку:

.

Частота питающего напряжения:

.

;

10.3 Возврат механизма в исходное положение Отмечаем на рисунке 6 заданные скорость и момент: М=-2,45Н•м;

— 124.02 .

Синхронная скорость для характеристики, проведенной через данную точку: .

Частота питающего напряжения:

Гц.

В;

Рисунок 6 — Механические характеристики, обеспечивающие работу двигателя в заданных точках

11. Расчет параметров схем включения, обеспечивающих пуск и торможение двигателя Существуют три режима пуска:

1. форсированный пуск, когда время пуска минимально за счет того, что момент при пуске делается равным максимально допустимому;

2. нормальный, при котором время пуска не ограничено, а момент не должен быть меньше момента сопротивления движению;

3. с обеспечением заданного ускорения (за счет ограничения динамического момента двигателя).

При использовании преобразователя частоты мы можем обеспечить плавность пуска и торможения за счет изменения напряжения управления преобразователя. Чаще всего применяют линейный закон нарастания напряжения управления, определяющего линейное нарастание частоты управления.

Тогда при питании от преобразователя величина динамического момента определяется производной скорости идеального холостого хода двигателя.

Когда скорость двигателя изменяется по установившемуся закону, ускорение:

установившееся значение динамического момента:

(11.1)

Метод формирования линейного нарастания частоты:

На вход преобразователя подключают интегральный задатчик интенсивности, выходное напряжение которого изменяется линейно при подаче на его вход скачка входного напряжения управления.

При достижении величины Uзад нарастание напряжения на выходе задатчика прекращается. Выходное напряжение задатчика поступает на вход преобразователя, что обеспечивает плавное изменение Mдин по линейному закону, а также определяет величину установившейся скорости.

Темп нарастания определим, задав величину базовой постоянной времени ЗИ, которая численно равна времени достижения выходной частоты преобразователя от нуля до базового значения fН (скорость изменится от нуля до базового значения).

Базовая постоянная времени:

(11.2)

где — механическая постоянная времени, с;

— относительное значение динамического момента двигателя.

Механическая постоянная времени численно равна времени разгона привода с заданным моментом инерции от нуля до скорости идеального холостого хода под действием номинального момента:

(11.3)

Согласно формуле (11.3) рассчитываем TД для каждого участка:

· разгон привода с одной заготовкой: с;

· торможение привода с 30 заготовками: с;

· разгон и торможение привода при реверсе: с.

Базовая постоянная задатчика интенсивности (формула (11.2)):

· разгон привода с одной заготовкой: с;

· торможение привода с 30 заготовками: с;

· разгон и торможение привода при реверсе: с.

Видно, что базовая постоянная задатчика есть величина постоянная при разных моментах инерции, поэтому рассчитываем величину TЗИ по любому сочетанию момента инерции и динамического момента. Принимаем J=0,435;. Тогда постоянная времени задатчика интенсивности:

с.

Для снижения времени пуска и торможения можно применять задатчик интенсивности на основе ПИ-регулятора. При подаче скачка напряжения на его вход задатчик обеспечивает скачек напряжения на выходе преобразователя (), а затем выполняет линейное нарастание напряжения с помощью интегрального канала с темпом, определяемым TЗИ, до величины, превышающей заданное значение на. Затем пропорциональный канал снижает коэффициент усиления, обеспечивая скорость. Использование данного регулятора обеспечивает начальные бросок момента двигателя, соответствующий допустимому по условиям ускорения.

При питании двигателя от ПЧ пусковая характеристика определяется минимальной частотой преобразователя, а величина пускового момента снижена из-за влияния активного сопротивления в цепи статора.

Для данного преобразователя .

В относительных величинах: .

Для обеспечения заданного ускорения при пуске двигателя пускаем двигатель с моментом, допустимым по ускорению. При этом приращение скорости:

(11.14)

где — жесткость механической характеристики системы преобразователь — двигатель.

Определим приращение начальной скорости по механической характеристике, основываясь на предположении о параллельности кривых:

При моменте имеем приращение .

В относительных единицах:

.

Для процесса пуска при реверсе привода:

При моменте имеем приращение .

В относительных единицах:

.

На рисунках 7, 8 представлены пусковые диаграммы для движения вперед и назад соответственно.

Рисунок 7 — Пусковая характеристика привода при движении вперед Рисунок 8 — Пусковая характеристика привода при движении назад Получаем скачек частоты:

При пуске при движении вперед:

Гц;

При движении назад:

Гц.

При данных частотах напряжение на статоре:

В;

В.

12. Структурные схемы электропривода Структурная схема электропривода и рабочей машины бывает полезна при расчетах, связанных с оценкой статических и динамических свойств привода.

12.1 Структурная схема механической части электропривода Механическая часть включает в себя движущиеся массы двигателя, передачи, рабочей машины. Структурные схемы должны учитывать упругие связи и распределение моментов инерции между двигателем и рабочей машиной. Многомассовые системы целесообразно привести к двухмассовым.

Построим структурную схему двухмассовой системы на рисунке 11.

Рисунок 11 — Структурная схема двухмассовой упругой системы На рисунке 11 коэффициенты при производных — постоянные времени.

Двигателя:

(12.1)

Упругого звена:

(12.2)

Рабочего органа:

(12.3)

12.2 Структурная схема электрического преобразователя энергии Тиристорный преобразователь, ввиду малой постоянной времени, принято считать безинерционным звеном с коэффициентом усиления .

Так как в преобразователе частоты имеются обратные связи, то мы можем не учитывать падение напряжения внутри преобразователя, считая, что его внутреннее сопротивление равно нулю.

Структурная схема преобразователя сложна, поэтому заменим ее на эквивалентную (рисунок 13).

На рисунке 13 коэффициенты структурной схемы:

— коэффициент задатчика интенсивности (пропорциональный канал).

Структурная схема системы ПЧ-АД сложна. Структурную схему упрощают, строя ее только для рабочего (прямолинейного) участка механической характеристики, но это влечет за собой погрешности в расчетах электромеханического преобразования энергии. При этом искажаются показатели нагрева, что связано с применением эквивалентного момента, искажаются энергетические показатели привода.

Рисунок 12 — Структурная схема системы «Преобразователь частоты — асинхронный двигатель»

13. Расчет переходных процессов и построение нагрузочных диаграмм электропривода Переходный процесс — это состояние системы при переходе из одного установившегося состояния в другое установившееся. Переходные процессы возникают при изменении управляющего и возмущающего воздействий.

При применении преобразователя частоты управляющим воздействием является задающее напряжение. При его изменении меняется напряжение и частота на статоре двигателя.

Расчет переходных процессов необходим:

· для определения времени и характера протекания процессов;

· для оценки соответствия параметров процессов требованиям технологии (заданное ускорение, скорость, время пуска и торможения);

· для оценки перегрузок;

· для правильного выбора по мощности двигателей, преобразователей, системы управления.

Рассчитаем переходные процессы для трех случаев:

· без учета упругости передачи и электромагнитной инерции;

· с учетом упругости передачи;

· с учетом электромагнитной инерции и упругости передачи.

13.1 Переходные процессы в механической части электропривода с идеально жесткими связями Расчет переходных процессов основан на применении уравнений:

— Основное уравнение движения:

(13.1)

— механическая характеристика двигателя:

(13.2)

При питании от преобразователя частоты с задатчиком интенсивности выражение для скорости:

(13.3)

В выражениях (13.1) — (13.3):

— момент инерции системы, кг•м2;

— жесткость механической характеристики;

— угловое ускорение вала двигателя, ;

Для прямолинейного участка механической характеристики для определения момента и скорости можно воспользоваться формулами (13.4), (13.5):

(13.4)

(13.5)

где — значение момента двигателя при t=0;

— электромеханическая постоянная времени электропривода, с;

— скорость на характеристике, соответствующая статическому моменту ,.

Рассчитаем переходные процессы для каждого участка.

13.1.1 Пуск привода с одной заготовкой Начальные условия:; ;; в предположении, что характеристики при разной частоте параллельны;. Тогда электромеханическая постоянная времени: с; .

Закон изменения момента:

(13.7)

Скорость:

(13.8)

13.1.2 Торможение привода при толкании тридцати заготовок Начальные условия:; ;;. Тогда электромеханическая постоянная времени: с; .

13.1.3 Пуск при реверсе привода Начальные условия:; ;. Тогда электромеханическая постоянная времени: с; .

13.1.4 Торможение при возвращении привода в исходное состояние Начальные условия:; ;;. Тогда электромеханическая постоянная времени: с; .

13.2 Переходный процесс в механической части электропривода с упругими связями При учете упругих связей в механической части привода разделяют вращающиеся инерционные массы двигателя и рабочей машины, вводя между ними упругий элемент.

Если принять постоянным момент двигателя и статический момент, а также не учитывать действия сил рассеяния (диссипативных), то уравнения нагрузочных диаграмм примут вид:

(13.8)

(13.9)

(13.10)

В данных формулах:

(13.11)

(13.12)

За счет колебания упругого момента (формула (13.10)) максимальная нагрузка передач увеличивается и может превысить среднюю нагрузку, соответствующую жесткому приведенному звену:

(13.13)

Данное превышение учтем введением динамического коэффициента:

(13.14)

Данный коэффициент является важным показателем условий работы системы и одним из основных показателей динамических качеств работы системы привода.

Переходный процесс с учетом упругих связей построим с применением программы ZIAD на ЭВМ.

Значение динамического коэффициента, показывающего качество работы системы в динамике, получим, сравниваю переходные процессы (например, пуска при движении вперед) для жесткой приведенной системы при и для двухмассовой приведенной системы с конечным значением жесткости .

Значения коэффициента полезного действия получаем, зная полезную работу и активную мощность:

; .

Из-за конечных значений жесткости системы момент статической нагрузки имеет колебания своего значения, в результате чего его мгновенные значения оказываются или больше, или меньше расчетного. В результате происходят колебания скорости и тока. Механическая работа, а также активная и реактивная энергия, потребляемая из сети, при учете жесткости системы практически не изменяются, так как среднее значение момента равно среднему значению момента в жесткой системе, а скорость растет по линейному закону (зависит от частоты тока статора). Учет жесткости оказывает влияние на мгновенные значения тока, момента, скорости. Таким образом, может быть увеличена мгновенная нагрузка на передачу, так как происходят синусоидальные колебания момента. Это чревато перегрузками редуктора, подшипников и элементов соединения.

Рисунок 13 — Процесс пуска при отсутствии электромагнитной инерции в идеально жесткой системе (Тс=0 Тэ=0)

Рисунок 14 — Процесс пуска при отсутствии электромагнитной инерции в двухмассовой упругой системе (Тс?0 Тэ=0)

Рисунок 15 — Переходный процесс пуска при движении ВПЕРЕД для жесткой приведенной системы (Тс=0 Тэ?0)

Рисунок 16 — Переходный процесс системы при движении ВПЕРЕД для двухмассовой упругой системы (Тс?0 Тэ?0)

Произведем сравнение переходных процессов пуска привода при движении вперед для идеально жесткой системы и для системы с упругими связями. Сравнение произведем в таблице 9.

Таблица 9 — Влияние Tc на показатели пуска

При отсутствии электромагнитной инерции в обмотках машины темп нарастания тока при включении машины несколько увеличивается, при этом значение тока несколько меньше, чем в инерционной системе, так как при отсутствии электромагнитной инерции ток нарастает при появлении напряжения на зажимах статора. При разгоне двигателя ЭДС уменьшает ток статора, а так как система безинерционна, то ток мгновенно реагирует на изменение напряжения и ЭДС, поэтому мгновенное значение тока оказывается меньше, чем в инерционной системе. Вследствие этого становятся меньше значения активной и реактивной мощностей, а КПД системы увеличивается.

Рисунок 17 — Переходный процесс системы при движении ВПЕРЕД для двухмассовой упругой системы Рисунок 18 — Переходный процесс системы при движении НАЗАД для двухмассовой упругой системы Исследуем показатели процессов в цикле работы. Результаты занесем в таблицу 10.

Таблица 10 — Показатели переходных и установившихся режимов

Суммарное перемещение (угловое), заданное в задании:

рад.

13.3 Электромеханический переходный процесс Так как обмотки двигателя имеют индуктивности, то приходится вести их учет при анализе переходных процессов.

Нагрузочные диаграммы электромеханического переходного процесса рассчитаны с помощью ЭВМ и приведены для каждого участка на рисунках 13−20.

Влияние электромагнитной инерции особенно резко проявляется при отношении:, где электромеханическая постоянная времени привода, с;

— электромагнитная постоянная времени силовой цепи, с.

Уравнения нагрузочных диаграмм для системы с преобразователем частоты:

(13.15)

(13.16)

где; ;.

Произведем анализ влияния электромагнитной инерции на переходные процессы, приняв электромагнитную постоянную времени двигателя. Данные процесса сведены в таблицу 9.

13.4 Угол поворота вала двигателя и время работы в установившемся режиме Рабочий орган проходит за время пуска и торможения некоторый путь, который мы выражаем через угол поворота вала двигателя:

(13.17)

Время работы в установившемся режиме работы:

(13.18)

где — полный угловой путь, проходимый двигателей в данном режиме работы, .

13.6 Среднеквадратичное значение тока При проверке двигателя по нагреву будет необходимо знать среднеквадратичное значение тока статора за цикл работы. С этой целью в таблицу 10 заносится среднеквадратичное значение тока, рассчитываемое как интеграл:

(13.18)

Точный расчет ведется ЭВМ. Значения на участке торможения определяется вычитанием из текущего значения значения, соответствующего режиму пуска.

13.7 Энергетические показатели электропривода Энергетические показатели характеризуют экономичность преобразования энергии в системе. Энергетическими показателями являются КПД и .

Цикловый КПД находим по формуле (13.19):

(13.19)

Цикловый :

(13.20)

Механическая энергия за время переходного процесса:

(13.21)

Активная энергия из сети:

(13.22)

Реактивная энергия из сети:

(13.23)

Механическая энергия за цикл:

(13.24)

Активная энергия из сети за цикл:

(13.25)

Реактивная энергия за цикл:

(13.26)

Результаты расчетов за цикл работы привода сведены в таблицу 10.

14. Проверка электропривода на заданную производительность, по нагреву и перегрузочной способности двигателя и преобразователя Проверку привода на производительность выполним, основываясь на результатах построения нагрузочных диаграмм.

Полученное время работы привода в цикле оказывается меньше заданного по требованиям технологии, то есть привод обеспечивает заданную производительность, при этом есть некоторый запас времени на доводку в случае необходимости.

Проверку двигателя по нагреву выполним методом эквивалентного тока, который заключается в нахождении эквивалентного тока, который не должен превышать тока, допустимого по нагреву.

Эквивалентный ток найдем, воспользовавшись формулой (14.1):

(14.1)

где — среднеквадратичное значение тока на i-м участке, А;

— длительность i-го участка работы привода, с;

— коэффициент ухудшения теплоотдачи двигателя.

Значение суммы в числителе дроби в формуле мы знаем (значение I2•t за цикл работы электропривода). Коэффициент ухудшения теплоотдачи зависит от скорости вращения двигателя и имеет стандартные значения:

· при ;

· при ;

· при .

Примерные значения коэффициента :

Закрытый двигатель с независимой вентиляцией: 1

Закрытый двигатель без принудительного охлаждения: 0,95…0,98

Закрытый двигатель с самовентиляцией: 0,45…0,55

Защищенный двигатель с самовентиляцией: 0,25…0,35

В нашем приводе используется двигатель закрытый с самовентиляцией, поэтому принимаем значение.

Номинальная скорость двигателя: ;

Номинальная частота вращения двигателя: .

Для движения привода ВПЕРЕД скорость двигателя не превышает 0,72 от номинальной, поэтому .

При движении НАЗАД скорость двигателя превышает значение, поэтому: .

При пуске и торможении привода при движении НАЗАД большую часть времени скорость двигателя меньше 0,8 от номинальной, поэтому мы принимаем .

Эквивалентный ток:

Допустимый ток (для двигателей краново-металлургической серии):

(14.2)

В соответствии с формулой (14.2):

А.

При проверке двигателя по нагреву оказывается, что двигатель недогружен на 4%.

Проверим двигатель на кратковременную перегрузку, сравнив наибольшие значения тока и момента с допустимыми:

.

Максимальный момент не превышает критического для асинхронного двигателя, следовательно двигатель работает на устойчивом участке механической характеристики. Так как при максимальном моменте частота тока статора близка к номинальной (43 Гц), то критический момент равен критическому моменту на естественной характеристике.

При проверке преобразователя по максимальному току также оказывается, что максимальный ток двигателя не превосходит номинального выходного тока преобразователя, то есть преобразователь частоты проходит по перегрузочной способности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе курсового проектирования был спроектирован привод толкателя методической печи на основе заданных технологией параметров.

Привод выполнен с применением асинхронного короткозамкнутого двигателя, питающегося от преобразователя частоты инверторного типа.

Был выбран двигатель MTF 211- 6, Pн=4.5 кВт; nн=930 об/мин; Iн=12,7А методом эквивалентного момента.

Выбран преобразователь частоты по номинальному току и напряжению ТТПТ-16−380−50−1-УХЛ4.

По передаточному числу 45 выбран двухступенчатого редуктора ЦД2−65Б, выдерживающего максимальную нагрузку, создаваемую толкателем: Н•м .

На каждом участке работы привода рассчитаны необходимые параметры: заданные скорость и момент, скачек синхронной скорости для преодоления момента статического сопротивления, требуемое время переходного процесса, частота и напряжение на выходе преобразователя:

1) Толкание одной заготовки: Uзад=127 В; fзад=28.5Гц;

2) Возврат на холостом ходу: Uзад=189,2 В; fзад=43 Гц;

Исследованы переходные процессы пуска и торможения с учетом и без учета инерционностей в механической и электромагнитной системах, результаты сведены в таблицу 9.

Проверено выполнение приводом требований технологии по производительности и заданному допустимому ускорению:

рад; tц=16с.

Выполнена проверка выбранного электродвигателя по нагреву методом эквивалентного тока: Iэкв=12.78 А при Iдоп=13.3 А, мы не создали больших запасов по нагреву, и обеспечили критический момент, следовательно двигатель работает в нормальных условиях и не возникает его недоиспользования.

По результатам проделанного проекта можно заключить, что спроектированной привод выполняет необходимые условия, следовательно он работоспособен.

1)Теория электропривода. Учебное пособие к курсовому проектированию. -Челябинск, 1998, 158 стр

2) Двигателя асинхронные трехфазные крановометаллургической серии MTF, MTKF, MTKH: НК 01,30,01 — 82. -М. Информэлектро. 1985г

3) Краузе Г. Н., Кутилин М. Д., Сыцко С. А. Редукторы. Справочное пособие. -М-Ленинград; Машиностроение, -192стр 1965г

4) Алексеев, Богословский, Певзнер. Крановое электрооборудование: справочник. -240 стрМ. Энергоатомиздат, 1979 г.