Учебная работа. Электрический привод производственного механизма

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,
Определим диапазон регулирования:

Определяем среднеквадратичное

 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.

Учебная работа. Электрический привод производственного механизма