Автоматизированный электропривод

Автоматизированный электропривод 

Расчётно-пояснительная записка  к курсовому проекту по дисциплине  «Автоматизированный электропривод» 

Тема: Разработать электропривод механизма передвижения мостового крана. 

Выполнил студент: Барулин Ю.В. 

Российский химико-технологический университет имени Д.И.Менделеева. 

Новомосковский институт 

Кафедра «Электротехники» 

Новомосковск 2004 г. 

Задание

Разработать электропривод механизма передвижения мостового крана.

Механизм включает двигатель постоянного тока, торможение включением сопротивления в цепь якоря. Вращение ротора двигателя передаётся через редуктор ходовым колесом, имеющем диаметр D=0.4м и цапф Dц=0,008м.Тележка перемещает кран с грузом mг=28 т на расстоянии перемещения L=18 м, скорость передвижения v=19 м/мин, а вес самой тележки mт=6 т, К.П.Д. передач механизма n=0,65.

Кроме того, при расчёте электропривода задаются продолжительностью включения ПВ=34% и приведённым к валу двигателя моментом энерции механизма I1=25% от момента инерции ротора электродвигателя.

Цикл работы тележки включает перемещение груза на расстояние и возвращение назад без груза. Разработать схему управления, которая должна обеспечивать ступенчатый пуск, электрическое торможение, снижение скорости перед остановкой до (20-30)% от номинальной, фиксацию механизма электромеханическим тормозом при отключении двигателя от сети.

Срок сдачи проекта

Дата выдачи задания 

Введение

Эффективность средств производства, которыми располагает человеческое общество, в значительной степени определяется совершенством способов получения энергии, необходимой для выполнения механической работы в производственных процессах. Производственные механизмы, без которых нельзя в настоящее время представить себе ни одно производство прошли длительный путь своего развития, прежде чем приняли вид современного автоматизированного электропривода, приводящего в движение бесчисленное множество рабочих машин и механизмов в промышленности, транспорте, в сельском хозяйстве и в бытовой технике и автоматически управляющего их технологическими процессами.

Пределы использования по мощности современного электропривода весьма велики - от десятков тысяч киловатт в единичном двигателе до долей ватта.

Современный автоматизированный электропривод представляет собой сложную электромеханическую систему, предназначенную для приведения в движение рабочего органа машины и управления её технологическим процессом. Он состоит из трёх частей: электрического двигателя, осуществляющего электромеханическое преобразование энергии, механической части, передающей механическую энергию рабочему органу машины, и системы управления, обеспечивающей оптимальное по тем или иным критериям управление технологическим процессом. Диапазон изменения номинальных частот вращения электропривода имеет весьма широкие пределы. Использование средств дискретной техники в системах управления приводами постоянно тока расширяет диапазон регулирования скорости до (1000-1500:1 и выше. Нельзя представить себе ни одного современного производственного механизма, в любой области техники, который не приводился бы в действие автоматизированным электроприводом. В электроприводе основным элементом, непосредственно преобразующим электрическую энергию в механическую является электрический двигатель, который чаще всего управляется при помощи соответствующих преобразовательных и управляющих устройств с целью формирования статистических и динамических характеристик электропривода, отвечающих требованиям производственных механизмов. 

Речь идёт об обеспечении с помощью автоматизированного электропривода оптимального режима работы машин, при котором достигается наибольшая производительность при высокой точности.

Многообразие производственных процессов обуславливает различные виды и характеры движения рабочих органов машины, а следовательно, и электроприводов. По виду движения электроприводы могут обеспечить: вращательное однонаправленное движение, вращательное реверсивное и поступательное реверсивное движение. Характеристики двигателя и возможности системы управления определяют производительность механизма, точность выполнения технологических операций.

Свойства электромеханической системы оказывают решающее влияние на важнейшие показатели рабочей машины и в значительной мере определяют качество и экономическую эффективность технологических процессов. Развитие автоматизированного электропривода ведёт к совершенствованию конструкций машин, к коренным изменениям технологических процессов, к дальнейшему прогрессу во всех отраслях народного хозяйства, поэтому теория электропривода- техническая наука, изучающая общие свойства электромеханических систем, законы управления их движением и способы синтеза таких систем по заданным показателям имеет важнейшее практическое значение.

Системы автоматического управления электроприводами постоянного и переменного тока, в которых используются все достижения полупроводниковой техники, а так же возможности электронной вычислительной техники, позволяют существенно упростить конструкции производственных механизмов, повысить их точность и поднять производительность, т.е. способствовать техническому прогрессу. Широкая автоматизация механизмов на базе следящих систем электроприводов, систем с цифровым программным управлением и средств комплексной автоматизации – обширная и весьма важная развивающаяся область автоматизированного электропривода. 

1.Расчёт статистических нагрузок и мощности ДТП

1.1Статистическая нагрузка при движении тележки с грузом 

Рс1=кg(mт+mг) (мDц/2+f)v/nD/2

где к-коэффициент, учитывающий трение

(к=1,2 1,3). Принимаем к=1,25

g-ускорение свободного падения, Н*м2;

mт-масса тележки, кг;

mг-масса груза, кг;

f-коэффициент трения качения. Принимаем в зависимости от диаметра колеса. принимаем f=0.0005

м-коэффициэнт трения;

Dц-диаметр цапфа;

V-скорость передвижной тележки, м/с;

D-диаметр колёс, м;

n-номинальный КПД передачи механизма.

Рс1=1,25*9,81(6000+28000)(0,25*0,08/2+0,0005)*0,32/0,65*0,4/2=10776Вт=10,78кВт

Мощность двигателя при движении тележки без груза определяется аналогично, с учётом что mг=0 

Рс2=кgmт(мDц/2+f)V/n*D/2 

Рс2=1,25*9,81*6000(0,25*0,08/2+0,0005)*0,32/0,65*0,4/2=1902Вт=1,9кВт 

Время работы с грузом и без груза 

tp1=tp2=L/V, 

где L-расстояние перемещения, м 

tp1=tp2=18/0.32=56.8c 

Время цикла при заданной продолжительности включения 

tц=(tp1+tp2)*100% / ПВ%? 

где ПВ% заданная продолжительность включения 

tц=(56,8+56,8)*100% / 34%=334 c

Время пауз 

tп1=tп2=(tц-(tp1+tp2))/2 

tп1=tп2=(334-(56,8+56,8))/2=110,2с 

Так как время цикла меньше 10 минут, то режим работы повторно-кратковременный 

Эквивалентная среднеквадратичная мощность за время работы

Рэ= (Р2с1*tp1+P2c2*tp2)/(tp1+tp2)

Рэ= (10,782*56,8+1,92*56,8)/(56,8+56,8) =7,74кВт

Эквивалентная мощность , приведённая к стандартной ПВ%

Pэк=Кз*Рэ* ПВ/ПВст , 

где Кз-коффициэнт запаса (Кз=1,1 1,3). Принимаем Кз=1,2;

ПВст-стандартная продолжительность включения, ПВст=40% 

Рэк=1,2*7,74 34/40 =8,56 кВт

Выбор двигателя постоянного тока (ДПТ)

Согласно [4] номинальная мощность выбираемого двигателя должна быть эквивалентной мощности, 

Рэк >Рэн. Выбираем D32 

Рном=12кВт; nном=800 мин-1; Uном=220В; Кa =0.28 Ом;

Iном=57А; Iв=1,85А; Р при ПВ=40%=9,5кВт; Iдв=0,425кг*м2 

Номинальная угловая скорость 

wн=2пn/60, 

где n-номинальная частота вращения, 

wн=2*3.14*800/60=83.37

Передаточное отношение редуктора 

ip=(wн*D/2)/V*60 

ip=(83.37*0.4/2)/0.32*60=0.87 

2.Расчёт и построение эл./механических характеристик

2.1 Построение соответственных электромеханических характеристик.

Механические характеристики для ДТП с параллельным возбуждением представляют собой прямые линии, поэтому для их построения достаточно определить координаты 2-х точек: номинального режима и холостого хода

Номинальный момент 

Мн=Рн/wн, 

где Рн-номинальная мощность двигателя, кВт 

Мн=12000/83,73=133,46 Н*м

Для холостого хода момент принимается равным нулю, М0=0.

Скорость находится из выражения 

w0=Uн/КФ, 

где КФ=(Uн-Iн*Ra )/wн, 

где Uн-номинальное напряжение при ПВ%ст,В; 

Iн-номинальный ток, А;

Ra -суммарное сопротивление якоря, Ом. 

КФ=(220-57*0,28)/83,73=2,44 

w0=220/2.44=90.16 

Эти характеристики представлены на рисунке 4.

2.2 Статистические моменты сопротивления двигателя при движении тележки с грузом и без груза 

Мс1=Рс1/wн 

Мс1=10,78/83,37=128,7 Н*м 

Мс2=Рс2/wн 

Мс2=1,9/83,73=22,71 Н*м 

Строим их как вертикальные линии в 1 и 3 квадранте.

2.3 Для построения пусковых реостатных характеристик задаемся моментами переключения 

М1=(2 3)Мн 

М1=(2 3)*133,6=226,92 340,38 Н*м 

М2>(1.1 1.2)Мн 

М2>(1,1 1,2)*133,46>124,81 156,12 Н*м 

П =М1/Мн 

П=(226,92 34,38)/133,46=2 3 

Rном=Uном/Iном 

Rном=220/57=3.86 Ом 

Ra=Ra /Rном=0,28/3,86=0,0725

Принимаем П =3. Задаёмся числом ступеней z=2 

М2= Пz Ra*П 

М2=32 0,0725*3 =1,39 

М2=М2*Мн 

М2=1,39*133,46=158,74

Выбранные значения П и z соответствуют выполнению условия М2>(1,1 1,2)Мн

2.4 Построение тормозной характеристики для ДТП 

При типе торможения В строим тормозные характеристики, проводя прямые через точку w0 и пересечение линии Мс и точкой 0,2wн

2.5 Расчёт пусковых и тормозных резисторов 

R1=Rном*bc/af=3.86*8/92=0.34 

R2=Rном*cd/af=3.86*16/92=0.67 

Rт1=Rном*de/af=3.86*32/92=1.34 

Rт2=Rном*de/af=3.8*275/92=11.54

3.Расчет переходных процессов при пуске и торможении электропривода 

3.1 Расчёт переходных процессов при движении тележки с грузом

Тм=Iw0/Mкз=I w/ M

Iг=Iдв+(I1/100%)Iдв+mг(V/wдв)2

где Iдв-момент инерции двигателя, кг*м2

I1-момент инерции механизмов, приведённой к валу, %

mг-масса тележки с грузом, кг 

V-скорость движения тележки, м/с

wдв-частота вращения двигателя, об/мин

Iг=0,425+(25/100)*0,425+34000(0,32/800)2=0,54

Рассматриваем переходный процесс при движении тележки с грузом по участкам 

участок 1-2 

w=(wнас-wуст)e-t/Tм+wуст 

М=(Мнас-Муст)е-t/Тм+Муст 

Для определения переходного процесса, необходимо знать: 

Тм1=Iг*w2/(V1-V2) 

wнач=0 ; wуст=w7=54 

Мнач=320; Муст=128,7

Тм1=0,54*47/(320-158,7)=0,16 

w=(0-54)e-t/0.16+54

M=(320-128.7)e-t/0.16+128.7

Результаты вычислений сводим в таблицу 

1 этап разгона

t

0

0,1

0,2

0,3

w

0

25,1

38,5

47

M

320

231,1

183,5

158,7

участок 3-4

wнач=w2=47; wуст=w8=73

Mнач=320=M1; Mуст=Mc1=128.7

Tм2=I(w4-w2)/(M1-M2)

Tм2=0.54(70-47)/(320-158.7)=0.08

w=(w2-w8)e-t/Tм2++w8

w=(47-73)e-t/0.08+73

М=(М1-Мс1)е-t/0,08+Мс1

М=(320-128,7)е-t/0.08+128.7

Результаты расчёта сводим в таблицу 

11 этап разгона

t

0

0,1

0,2

w

47

65,5

70

M

320

183,5

158,7

участок 5-6

wнач=w4=70; wуст=w6=83

Mнач=M1=320; Mуст=Mc1=128.7

Tм3=Iг(w6-w4)/(M1-Mc1)

Tм3=0.54(83-70)/(320-128.7)=0.04

w=(w4-w6)e-t/Tм3+w6

w=(70-83)e-t/0.04+83

M=(M1-Mc1)e-t/Tм3+Mc1

M=(320-128.7)e-t/0.04+128.7

Результаты расчета сводим в таблицу

участок 3`-4`

wнач=w2=-47; wуст=w8`=-88

Mнач=-M1=-320; Mуст=-Mc2=-22,7

Tм2`=I/(w4`-w2`)/(-M1+M2)

Tм2`=0.53(-47)/(-320+158,7)=0.15

w=(wнач-w7)e-t/Tм1+w7

w=84e-t/0.15-84

M=(-M1+Mc2)e-t/Tм1-Mc2

M=(-320+22,7)e-t/0.15-22,7

Результаты вычислений сводим в таблицу

Выход на естественную характеристику

t

0

0,1

0,2

w

70

82

83

M

320

144,4

128,8

участок 9-10

wнач=w9=83; wуст=w10=17

Mнач=M9=14; Mуст=Mc1=128.7

Tм4=Iг(w10-w9)/(M9-Mc1)

Tм4=0.54(17-83)/(14-128.7)=0.34

w=(w9-w10)e-t/Tм4+w10

w=(88-17)e-t/0.34+17

M=(M9-Mc1)e-t/Tм4+Mc1

M=(14-128.7)e-t/0.34+128.7

Результаты вычислений сводим в таблицу 

этап торможения

t

0

1

2

w

83

20,5

17,2

M

14

122,6

128,4

3.2 Расчёт переходных процессов при движении тележки без груза

I=Iдв+(I1/100%)Iдв+m(V/wдв)2

где I-момент инерции электропривода, кг*м2 

m-масса тележки с грузом, кг

I=0,425+(25/100)*0,425+6000(0,32/800)2=0,53

Рассмотрим переходный процесс при движении тележки без груза по участкам

участок 1`-2`

wнач=0; wуст=w7=-84

Mнач=-M1=14; Mуст=-Mc2=-22,7

Tм1=Iw2/(-M1+M2)

Tм1=0.53*(-47)/(-320+158,7)=0.15

w=(wнач-w7)e-t/Tм1+w7

w=84e-t/0.15-84

M=(-M1+Mc2)e-t/Tм1-Mc2

M=(-320+22,7)e-t/0.15-22,7

Результаты вычислений сводим в таблицу 

1 этап разгона

t

0

0,1

0,2

w

0

-40,8

-47

M

-320

-175,3

-158,7

участок 3`-4`

wнач=w2`=-47; wуст=w8`=-88

Mнач=-M1=-320; Mуст=-Mc2=-22,7

Tм2`=I/(w4`-w2`)/(-M1+M2)

Tм2`=0.53(-47)/(-320+158,7)=0.15

w=(w2-w8)e-t/Tм`+w8

w=(-47+88)e-t/0.15-88

M=(-M1+Mc2)e-t/Tм2`-Mc2

M=(-320+22,7)e-t/0.075-22,7

Результаты вычислений сводим в таблицу 

11 этап разгона

t

0

0,1

0,06

w

-47

-77,2

-70

M

-320

-101,1

-158,6

участок 5`-6`

wнач=w4`=-70; wуст=w6`=-90

Mнач=-M1=-320; Mуст=-Mc2=-22,7

Tм3`=I/(w6`-w4`)/(-M1+Mc2)

Tм3`=0.53(-90+70)/(-320+22.7)=0.035

w=(w4`-w6`)e-t/Tм3`+w6`

w=(-70+90)e-t/0.035-90

M=(-M1+Mc2)e-t/0.035-Mc2

M=(-320+22,7)e-t/0.035-22,7

Результаты вычислений сводим в таблицу

Выход на естественную характеристику

t

0

0,1

0,2

w

-70

-89,3

-90

M

-320

-33,3

-22,7

участок 5`-6`

wнач=w9`=-90; wуст=w10`=-17

Mнач=M9`=-2; Mуст=-Mc2=-22,7

Tм4`=I/(w9`-w10`)/(-Mc2+M9`)

Tм4`=0.53(-90+17)/(-22.7+2)=1.8

w=(w9`-w10`)e-t/Tм4`+w10`

w=(-90+17)e-t/1.8-17

M=(M9`+Mc2)e-t/Tм4-Mc2

M=(-2+22,7)e-t/1.8-22,7

Результаты вычислений сводим в таблицу 

этап торможения 

t

0

1

2

3

4

5

6

7

w

-90

-58,9

-41,03

-30,8

-25

-21,5

-19,8

-17,1

M

-2

-10,8

-15,9

-18,8

-20,5

-21,4

-22

-22,7

4.Строим нагрузочные диаграммы для проверки двигателя по нагреву

Движения тележки с грузом

SOAB=1/2AB*OB

SOAB=1/2*(110/60)*0.7=0.64 рад

Lпуск=SОАВ*D/2*ip 

где D-диаметр ходовых колёс, м

ip-передаточное отношение редуктора

Lпуск=0,64*0,4/2*0,87=0,15 м

SCFGD=SCKE+SEFGD

SCKE=1/2CE*EK

SEFGD=ED*DG

SEFGD=(16/60)*3+0.8 рад

SCFGD=0.56+0.8=1.36 рад

Lторм г=SCFGD*D/2*ip

Lторм г=1.36*0.4/2*0.87=0.31 м

Lуст.г=L-(Lпуск.г+Lторм г)

Lуст.г=18-(0.15+0.31)=17.54 м

Определяем установившееся время работы при движении тележки с грузом 

tуст.г=Lуст.г/V 

tуст.г=17.54/0.32=54.8 с

Движение тележки без груза

SOAB=1/2AB*OB

SOAB=1/2(110/60)0.4=0.37 рад

Lпуск.б/г=SOAB*D2*ip

где Lпуск-расстояние, на которое перемещается тележка 

во время пуска, м

Lпуск б/г=0,37*0,4/2*0,87=0,08 м

SCDEF=SKDG+SCKFE

SKDG=1/2KD*CE

SKDG=1/2(73/60)*3.6=2.19 рад

SCKFE=CK*CE

SCKFE=(17/60)*7=1.98 рад

SCDEF=2.19+1.98=4.17 рад

Lторм г=SCDFE*D/2*ip

Lторм г=4.17*0.4/2*0.87=0.96 м

Lуст.г=L-(Lпуск.б/г+Lторм б/г)

Lуст.г=18-(0.08+0.96)=16,96

Определяем установившееся время работы при движении тележки без груза 

tуст.г=Lуст.б/г/V 

tуст.б/г=16,96/0.32=53 с

Проверка двигателя по нагреву осуществляется методом эквивалентного момента, который определяется по нагрузочной диаграмме при работе тележки с грузом и без груза

Мэкв= М i2*ti/ ti<Mном

Мi= (Mнач2+Мнач*Мкон+Мкон2)/3

участок 1-2 

Мi= (M12+M1*M2+M22)/3= (3202+320*158.7+158.72)/3=243.84

участок 3-4 

Мi= (M12+M1*M2+M22)/3= (3202+320*158.7+158.72)/3=243.84

участок 5-6 

Мi= (M12+M1*Mс1+Mс12)/3= (3202+320*128.7+128.72)/3=231.05 

участок 9-10 

Мi= (M92+M9*Mс1+Mс12)/3= (142+14*128.7+128.72)/3=78,66 

Муст=128,7 

участок 1`-2` 

Мi= ((-M1)2+M1*M2+M22)/3= (3202+320*158.7+158.72)/3=243.84 

участок 3`-4` 

Мi= (M12+M1*M2+M22)/3= (3202+320*158.7+158.72)/3=243.84 

участок 5`-6` 

Мi= (M12+M1*Mс2+Mс22)/3= (3202+320*22,7+22,72)/3=191,64 

участок 9`-10` 

Мi= (M`92+M9`*Mс2+Mс22)/3= (22+2*22.7+22.72)/3=13.72 

Муст=22.7 

Мэкв= 243,842*0,3+243,842*0,2+231,052*0,2+78,662*3+128,72*54,8+243,842*0,13+

+243,842*0,6+191,642*0,2+13,722*7+22,72*53/119,43=93,59 

Мэкв<Мном=133,46 Н*м

Мном*ПВном>Мэкв ПВэкв/ПВном 

Мном*ПВном=Рном*ПВном/wном=9500/83,37=113,47 Н*м 

Мэкв ПВэкв/ПВном = 93,59 34/40=86,29< Мном*ПВном

Двигатель проходит по нагреву 

5.Проектирование релейно-контакторной схемы управления двигателем постоянного тока.

Двигатель должен иметь возможность реверсирования, а так же пускаться (в две ступени) в обоих направлениях. Проектирование осуществляется следующим образом : 

а) Для осуществления реверса предусматриваем в силовой схеме подключение якоря электрической машины к сети через замыкающие контакты контакторов направления (КМ1-контакор «вперёд», КМ2-контактор « назад»), включённые в мостовую схему. В зависимости от того , какие контакты (КМ1 или КМ2) замкнуты, меняется полярность подводимого к якорю напряжения, следовательно, меняется направление вращения двигателя. 

б) С целью осуществления двухступенчатого пуска включаем последовательно в цепь якоря два добавочных резистора (Rg1 и Rg2).Для коммутации резисторов (при переходе с одной пусковой характеристики на другую) параллельно им устанавливаем замыкающие контакты контакторов ускорения КМ3 и КМ4. 

в) В цепи якоря устанавливаем катушку реле КА2 для максимальной токовой защиты и катушку реле нулевого тока КА1 в цепи обмотки возбуждения двигателя ОВ (для контроля за наличием тока в цепи ОВ (или для контроля за снижением этого тока ниже допустимого уровня).

Далее в силовой схеме для управления этой схемой предусматриваем командоконтроллёр. Автоматизация процесса пуска осуществляется в функции времени. Функцию минимальной защиты осуществляет включаемое в схему реле напряжения KV1. В случае снижения напряжения сети ниже допустимого уровня (0,8-0,85 Uном) исчезает напряжение реле KV1 отпадает к своим замыкающим контактом KV1:1 отключает схему управления, что приводит к отключения силовой схемы от сети и к фиксации механизма с помощью технического тормоза, так как катушка электромагнита тормозного устройства КМ5 в этом случае теряет питание. 

Повторное включение электропривода в работу после срабатывания любого вида защит возможно только после установки командоконтроллёра в нулевое положение. 

Это нулевая блокировка (защита от самозапуска):она исключает опасность самопроизвольного включения привода в работу после устранения неисправностей или восстановления питающего напряжения, если командоконтроллёр остался не в нулевом положении.

В цепи катушек контакторов направления КМ1 и КМ2 введены размыкающие контакты конечных выключателей SQ1 и SQ2, чтобы в случае, когда перемещаемый механизм выходит за допустимые границы перемещения, механизм специальным упором нажимает на рычаг конечного выключателя SQ1 или SQ2.Последний своим размыкающим контактом снимает питание с катушки соответствующего контактора направления, в результате двигатель отключается от сети. Одновременно снимается питание с катушки электромагнитного тормоза КМ5. При этом механизм фиксируется в неподвижном состоянии механическим тормозом. 

Для осуществления электрического торможения типа В в схеме предусматриваем последовательное включение двух тормозных резисторов Rт1 и Rт2(для осуществления торможения устанавливаем параллельно резисторам размыкающий контакт КМ6:2, контактора КМ6). Тормозные резисторы устанавливаются в цепи якоря. 

Список литературы

1.Чиликин М.Г., Ключев В.И. «Теория автоматизированного электропривода».М.:Энергия.1979

2.Чиликин М.Г., «Общий курс электропривода».М: Энергоиздат 1981

3.Методические указания по курсовому проектированию дисциплины «Автоматизированный электропривод». Бабокин Г.И., г.Новомосковск

4.Яуре А.С., Певзнер Е.М. «Крановой электропривод»