Электроэнергетический факультет

Кафедра автоматизированного электропривода и электромеханики

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Теория электропривода»

Расчет электропривода грузового лифта

Пояснительная записка

Введение…………………………………………………………...………………

1 Расчет электропривода грузового лифта………………………………………

1.1 Кинематическая схема рабочей машины, ее описание и технические данные………………………………………………………………………………...…

1.2 Расчет статических моментов…………………………………………...……

1.3 Расчет нагрузочной диаграммы………………………………………………

1.4 Предварительный расчет мощности электродвигателя и его выбор………

1.5 Расчет приведенных статических моментов……………………………...…

1.6 Построение нагрузочной диаграммы электродвигателя……………………

1.7 Предварительная проверка электропривода по нагреву и производительности…………………………………………………………………….

1.8 Выбор системы электропривода и его структурная схема…………………

1.9 Расчет и построение естественных механической и электромеханической характеристик выбранного двигателя…………………………………………………

1.9.1 Расчет и построение естественных характеристик двигателя постоянного тока независимого возбуждения…………………………………..……

1.10 Расчет и построение искусственных характеристик………………………

1.10.1 Расчет и построение пусковой диаграммы двигателя с линейной механической характеристики графическим способом……………………….……..

1.10.2 Построение тормозных характеристик……………………………...……

1.11 Расчет переходных режимов электропривода……………………………..

1.11.1 Расчет механических переходных процессов электропривода при абсолютно жестких механических связях………………………………………

1.11.2 Расчет механического переходного процесса электропривода при наличии упругой механической связи……………………………………………...…

1.11.3 Расчет электромеханического переходного процесса электропривода при абсолютно жестких механических связях……………………………………..…

1.12 Расчет и построение уточненной нагрузочной диаграммы двигателя

1.13 Проверка электропривода на заданную производительность, по нагреву и перегрузочной способности электродвигателя…………………………………..…

1.14 Принципиальная схема электрической части электропривода

Заключение ………………………………………………………………..………

Список литературы……………………………………………………………..…

Введение

Способ получения энергии, необходимой для выполнения механической работы в производственных процессах, на всех этапах истории человеческого общества оказывал на развитие производительных сил решающее влияние. Создание новых, более совершенных двигателей, переход к новым видам приводов рабочих машин явились крупными историческими вехами на пути развития машинного производства. Замена двигателей, реализующих энергию падающей вод, паровой машины, послужила мощным толчком к развитию производства в прошлом веке – веке пара. Наш 20 в. Получил название века электричества в первую очередь потому, что основным источником механической энергии стал более совершенный электрический двигатель и основным видом привода рабочих машин является электрический привод.

Индивидуальный автоматизированный электропривод в настоящее время получил широкое применение во всех сферах жизни и деятельности общества – от сферы промышленного производства до сферы быта. Благодаря рассмотренным выше особенностям совершенствование технических показателей электроприводов во всех областях применения является основой технического прогресса.

Широта применения определяет исключительно большой диапазон мощностей электроприводов (от долей ватта до десятков тысяч киловатт) и значительное разнообразие из исполнения. Уникальные по производительности промышленные установки – прокатные станы в металлургической промышленности, шахтные подъемные машины и экскаваторы в горнодобывающей промышленности, мощные строительные и монтажные краны, протяженные высокоскоростные конвейерные установки, мощные металлорежущие станки и многие другие – оборудуются электрическими приводами, мощность которых составляет сотни и тысячи киловатт. Преобразовательные устройства таких электроприводов представляет собой генераторы постоянного тока, тиристорные и транзисторные преобразователи с выходом на постоянном токе, тиристорные преобразователи частоты соответствующей мощности. Они обеспечивают широкие возможности регулирования потока электрической энергии, поступающей в двигатель, в целях управления движением электропривода и технологическим процессом приводимого в движение механизма. Их управляющие устройства, как правило, построены на основе использования микроэлектроники и во многих случаях включают в себя управляющие вычислительные машины.

1 Расчет электропривода грузового лифта

1.1 Кинематическая схема рабочей машины, ее описание и технические данные

1 – электродвигатель,

2 – тормозной шкив,

3 –редуктор,

4 – канатоведущий шкив,

5 – противовес,

6 – грузовая клеть,

7 – нижняя площадка,

8 – верхняя площадка.

Рисунок 1 – Кинематическая схема лифта

Грузовой лифт осуществляет подъем груза, помещенного в грузовую клеть, с нижней площадки на верхнюю. Вниз клеть опускается пустая.

В цикл работы грузового лифта входит время загрузки, время подъема клети со скоростью V р, время разгрузки и время спуска клети со скоростью V в> V р

Таблица 1 – Исходные данные

По заданию необходимо при расчете механизма брать двигатель постоянного тока с независимым возбуждением.

1.2 Расчет статических моментов

Момент статического сопротивления грузового лифта складывается из момента силы тяжести и момента сил трения в подшипниках канатоведущего шкива и трения грузовой клети и противовеса в направляющих шахты.

Момент силы тяжести определяется по формуле:

где D – диаметр канатоведущего шкива, м;

m рез – результирующая масса, которая поднимается или спускается электроприводом лифта, кг.

Результирующая масса определяется соотношение масс груза, клети и противовеса и может быть рассчитана по формуле:

m рез = m k + m г - m n =1500+750-1800=450 кг

Момент силы трения в подшипниках канатоведущего шкива можно определить по выражению:

Момент силы трения грузовой клети и противовеса в направляющих шахты математически точно определить практически невозможно, так как величина этого сопротивления зависит от многих факторов, не поддающихся учету. Поэтому величина момента сил трения клети и противовеса в направляющих учитывается величиной кпд механизма, которая определена заданием на проектирование.

Таким образом, полный момент статического сопротивления грузового лифта определяется по выражению:

если двигатель работает в двигательном режиме, и по выражению:

если двигатель работает тормозном (генераторном) режиме.

1.3 Расчет нагрузочной диаграммы рабочей машины

Для того, чтобы ориентировочно оценить требуемую для данного механизма мощность двигателя, необходимо определить тем или иным способом мощность или момент производственного механизма на разных участках его работы и скорости движения рабочего органа механизма на этих участках. Другими словами, необходимо построить нагрузочную диаграмму производственного механизма.

Механизм, работающий в повторно-кратковременном режиме, в каждом цикле совершает прямой ход с полной нагрузкой и обратный ход на холостом ходу или с малой нагрузкой. На рисунке 2.1 приведена нагрузочная диаграмма механизма с ограничением допустимого ускорения рабочего органа механизма.

Рисунок 2 – Нагрузочная диаграмма механизма с ограничением ускорения

На нагрузочной диаграмме изображены:

- , – статические моменты при прямом и обратном ходах;

- , – динамические моменты при прямом и обратном ходах;

- , – пусковые моменты при прямом и обратном ходах;

- , – тормозные моменты при прямом и обратном ходах;

- , – скорости прямого и обратного ходов;

- , – времена пуска, торможения и установившегося движения при прямом ходе;

- , – времена пуска, торможения и установившегося движения при обратном ходе.

По заданным скоростям V c 1 , V c 2 , длине перемещения L, и допустимому ускорению а, рассчитываются t п1 , t п2 , t т1 , t т2 , t у1 , t у2 .

Время пуска и торможения:

Путь, проходимый рабочим органом машины за время пуска (торможения):

Путь, проходимый рабочим органом машины за время установившегося движения:

Время установившегося движения:

Время работы механизма при прямом и обратном ходах:

Динамические моменты рабочей машины

где D – диаметр вращающегося элемента рабочей машины, преобразующего вращательное движение в поступательное, м,

J рм1 , J рм1 – моменты инерции рабочей машины при прямом и обратном ходах.

Полный момент рабочего органа механизма, в динамическом режиме (пуск, торможение) при прямом и обратном ходах, определяются по выражениям:

1.4 Предварительный расчет мощности электродвигателя и его выбор

Таким образом, в результате расчетов по вышеприведенным формулам координаты нагрузочных диаграммы получают конкретные значения, позволяющие рассчитать среднеквадратическое значение момента за цикл работы.

Для нагрузочной диаграммы, с ограничением ускорения:

Фактическая относительна продолжительность включения определяется из выражений:

где t ц – длительность цикла работы, с,

Z – число включений в час.

Имея значение среднеквадратичного момента производственного механизма за цикл, ориентировочную требуемую мощность двигателя можно определить по соотношению:

где V сн – скорость рабочего органа механизма V c 2 ,

ПВН – номинальное значение продолжительности включения, ближайшее к фактическому ПВ Н,

К – коэффициент, учитывающий величину и длительность динамических нагрузок электропривода, а также потери в механических придачах и в электродвигателе. Для нашего случая К = 1.2.

Теперь выбирается двигатель, подходящий по условиям эксплуатации.

Параметры двигателя:

Краново-металлургический двигатель постоянного тока,U Н =220 В, ПВ=25%.

Таблица 2 – Данные двигателя

Определяем передаточное число редуктора:

где w Н – номинальная скорость выбранного двигателя.

Редуктор можно выбирать по справочнику, учитывая определенное передаточное число, номинальную мощность и скорость двигателя, а так же режим работы механизма, для которого этот редуктор предназначен.

Такой выбор редуктора является весьма примитивным и годным разве что для механизмов типа лебедки. Реально редуктор проектируется для конкретного рабочего механизма и является его неотъемлемой частью, ограниченно связанной и с электродвигателем и с рабочим органом. Поэтому, если выбор редуктора не ограничен особо в задании на проектирование.

1.5 Расчет приведенных статических моментов, моментов инерции и коэффициента жесткости системы электрический двигатель – рабочая машина

Для того чтобы можно было рассчитать статические и динамические характеристики электропривода, необходимо все статические и динамические нагрузки привести к валу двигателя. При этом должны учитываться не только передаточное число редуктора, но и потери в редукторе, а так же постоянные потери в двигателе.

Потери холостого хода двигателя (постоянные потери) можно определить, приняв их равными переменным потерям в номинальном режиме работы:

где η н – номинальный кпд двигателя.

Если величина η н в каталоге не дается, ее можно определить по выражению:

Момент постоянных потерь двигателя

Таким образом, приведенные к валу двигателя статические моменты системы электродвигатель – рабочая машина на каждом участке работы рассчитываются по формулам:

если двигатель в установившемся режиме работает в двигательном режиме.

Суммарный приведенный к валу электродвигателя момент инерции системы электродвигатель – рабочая машина состоит как бы из двух составляющих:

а) момент инерции ротора (якоря) двигателя и связанных с ним элементов электропривода, вращающихся с той же скоростью, что и двигатель,

б) приведенный к валу двигателя суммарный момент инерции движущихся исполнительных органов рабочей машины и связанных с ними движущихся масс, задействованных в технологическом процессе данного рабочего механизма.

Таким образом, суммарный приведенный к валу двигателя момент инерции, при прямом и обратных ходах определяется по выражениям:

где J д – момент инерции якоря (ротора) двигателя,

а – коэффициент учитывающий наличие на быстроходном валу других элементов электропривода, таких как муфт, тормозного шкива и т.п.

Для механизма, представленного в задании на курсовое проектирование, коэффициент а = 1,5.

J пррм1 , J пррм2 – приведенный к валу двигателя суммарный момент инерции движущихся исполнительных органов, и, связанных с ними масс рабочей машины при прямом и обратном ходах:

Для того, чтобы получить представление о влиянии упругих механических связей на переходные процессы системы электродвигатель – рабочая машина в задании представлена крутильная жесткость C k .

Приведенную к валу двигателя жесткость упругой механической связи С пр определяют через значение крутильной жесткости:

1.6 Построение нагрузочной диаграммы электродвигателя

Для построения нагрузочной диаграммы электродвигателя необходимо определить требуемые для пуска и торможения значения динамических моментов, а так же значения пусковых и тормозных моментов двигателя.

Для нашей нагрузочной диаграммы механизма с ограничением ускорения значения этих моментов определяется по следующим выражениям.

Пусковые и тормозные моменты для случая, когда двигатель в установившемся режиме работает в двигательном режиме, определяется по формуле:

Для построения рабочей характеристики потребуется значение скорости w c 1 . Скорость w c2 равна номинальной скорости электродвигателя.

Рисунок 3 – Приближенная нагрузочная диаграмма электродвигателя

1.7 Предварительная проверка электродвигателя по нагреву и производительности

Предварительная проверка двигателя по нагреву может быть проведена по нагрузочной диаграмме двигателя методом эквивалентного момента. В данном случае этот метод не дает значительной погрешности, т.к. и двигатель постоянного тока, и двигатель переменного тока будут работать в проектируемом электроприводе на линейной части механических характеристик, что дает основание с большой долей вероятности считать момент двигателя пропорциональным току двигателя.

Эквивалентный момент определяется по выражению:

Допустимый момент предварительно выбранного двигателя, работающего при ПВ ф:

Условие правильности предварительного выбора двигателя:

Для нашего случая

что удовлетворяет условиям выбора электродвигателя.

1.8 Выбор системы электропривода и его структурная схема

Проектируемый электропривод совместно с заданным производственным механизмом образует единую электромеханическую систему. Электрическая часть этой системы состоит из элктромеханического преобразователя энергии постоянного или переменного тока и системы управления (энергетической и информационной). Механическая часть электромеханической системы включает в себя все связанные движущиеся массы привода и механизма.

В качестве основного представления механической части принимаем расчетную механическую систему (рисунок 4), частым случаем которой при пренебрежении упругостью механических связей является жесткое приведенное механическое звено.

Рисунок 4 – Двухмассовая расчетная механическая система

Здесь J 1 и J 2 – приведенные к валу двигателя моменты инерции двух масс электропривода, связанных упругой связью,

w1, w2 – скорости вращения этих масс,

с12 – жесткость упругой механической связи.

В результате анализа электромеханических свойств различных двигателей установлено, что при определенных условиях механические характеристики этих двигателей описываются идентичными уравнениями. Поэтому при этих условия аналогичны и основные электромеханические свойства двигателей, что позволяет описывать динамику электромеханических систем одними и тем же уравнениями.

Вышесказанное справедливо для двигателей с независимым возбуждением, двигателей с последовательным возбуждением и смешанным возбуждением при линеаризации их механических характеристик в окрестности точки статического равновесия и для асинхронного двигателя с фазным ротором при линеаризации рабочего участка его механической характеристики.

Таким образом, применив одни и те же обозначения для трех типов двигателей, получим систему дифференциальных уравнений, описывающих динамику линеаризованной электромеханической системы:

где М с(1) и М с(2) – части общей нагрузки электропривода, приложенные к первой и второй массам,

М 12 – момент упругого взаимодействия между движущимися массами системы,

β – модуль статической жесткости механической характеристики,

Т э – электромагнитная постоянная времени электромеханического преобразователя.

Структурная схема, соответствующая системе уравнений представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Структурная схема электромеханической системы

Параметры w0, Тэ, β определяются для каждого типа двигателя по собственным выражениям.

Система дифференциальных уравнению и структурная схема правильно отражает основные закономерности, свойственные реальным нелинейным электромеханическим системам в режимах допустимых отклонений от статического состояния.

1.9 Расчет и построение естественных механической и электромеханической характеристик выбранного электродвигателя

Уравнение естественных электромеханической и механической характеристик данного двигателя имеют вид:

где U – напряжение на якоре двигателя,

I – ток якоря двигателя,

M – момент, развиваемый двигателем,

R яΣ – суммарное сопротивление якорной цепи двигателя:

где R я – сопротивление обмотки якоря,

R дп – сопротивление обмотки дополнительных полюсов,

R ко – сопротивление компенсационной обмотки,

Ф – магнитный поток двигателя.

К – конструктивный коэффициент.

Из выражений, приведенных выше видно, что характеристики двигателя линейна при условии Ф = const и могут быть построены по двум точкам. Такими точками выбираются точка идеального холостого хода и точка номинального режима. Остальные величины определяются:

Рисунок 6 - Естественная характеристика двигателя

1.10 Расчет и построение искусственных характеристик электродвигателя

К искусственным характеристикам двигателя в данном курсовом проекте относятся реостатная характеристика для получения пониженной скорости при работе двигателя с полной нагрузкой, а так же реостатные характеристики обеспечивающие заданные условия пуска и торможения.

1.10.1 Расчет и построение пусковой диаграммы двигателя с линейной механической характеристики графическим способом

Построение начинается с построения естественной механической характеристики. Далее требуется рассчитать максимальный момент развиваемый двигателем.

где λ – перегрузочная способность двигателя.

Для построения рабочей характеристики используем значения w 1 и М с1 , точку идеального холостого хода.

При выходе на естественную характеристику имеется бросок тока, который выходит за рамки М 1 и М 2 . Для запуска с рабочей характеристики необходимо оставить текущую схему пуска. Так как при пуске на рабочую и естественную характеристику ступень требуется одна и нет надобности в дополнительных ступенях.

М 1 и М 2 принимаем равными:

Рисунок 7 - Пусковая характеристика двигателя

Согласно рисунку пусковые сопротивления рассчитываются по следующим формулам:

Последовательность пуска отображена на рисунке в виде знаков.

1.10.2 Расчет и построение рабочей характеристики двигателя с линейной механической характеристики.

Рабочая характеристика двигателя постоянного тока с независимым возбуждением строится по двум точкам: точка идеального холостого хода и точка рабочего режима, координаты которых определены ранее:

Рисунок 8 - Рабочая характеристика двигателя

В зависимости от того как располагаются рабочая характеристика относительно пусковой диаграммы двигателя, необходима та или иная коррекция либо пусковой диаграммы, либо траектории пуска двигателя под нагрузкой Мс1 до скорости wc1.

Рисунок 9 - Рабочая характеристика двигателя

1.10.3 Построение тормозных характеристик

Техническим заданием определено максимально допустимое, в переходных процессах, ускорение, то исходным для построения тормозных характеристик являются величины средних, постоянных по величине, тормозных моментов, определенных в пункте 6. Так как, при их определении ускорение считалось постоянным, тормозные моменты при торможении с различной нагрузкой и с разных начальных скоростей могут значительно отличаться друг от друга, причем в большую, либо меньшую сторону. Теоретически возможно даже их равенство:

Поэтому должны быть построены обе тормозные характеристики.

Рисунок должен учитывать, что реостатные характеристики торможения Противовключением должны быть построены таким образом, чтобы площадь между характеристиками и осями координат примерно равнялись в одном случае:

а в другом случае:

Зачастую величины тормозных моментов бывают намного меньше пикового момента М 1 , при котором определяются пусковые сопротивления. В этом случае необходимо построить естественную характеристику двигателя для обратного направления вращения и определить величины тормозных сопротивлений по выражениям согласно рисунку:

1.11 Расчет переходных режимов электропривода

В данном курсовом проекте должны быть рассчитаны переходные процессы пуска и торможении с различной нагрузкой. В результате должны быть получены зависимости момента, скорости и угла поворота от времени.

Результаты расчета переходных процессов будут использованы при построении нагрузочных диаграмм электропривода и проверке двигателя по нагреву, перегрузочной способности и заданной производительности.

1.11.1 Расчет механических переходных процессов электропривода при абсолютно жестких механических связях

При представлении механической части электропривода жестким механическим звеном и пренебрежении электромагнитной инерцией, электропривод с линейной механической характеристикой, представляет собой апериодическое звено, с постоянной времени Т м.

Уравнения переходного процесса для этого случая записываются так:

где М с – момент двигателя в установившемся режиме,

w c - скорость двигателя в установившемся режиме,

М нач – момент в начале переходного процесса,

W нач – скорость двигателя в начале переходного процесса.

Т м – электромеханическая постоянна времени.

Электромеханическая постоянная времени считается по следующей формуле, для каждой ступени:

Для тормозных характеристик:

Время работы на характеристике, при переходных процессах определяется по следующей формуле:

Для выхода на естественную характеристику считаем:

Для выхода на рабочую характеристику:

Для тормозных характеристик:

Время переходных процессов при пуске и торможении определяется, как сумм времен на каждой ступени.

Для выхода на естественную характеристику:

Для выхода на рабочую характеристику:

Время работы на естественной характеристике теоретически равно бесконечности, соответственно его считали как (3-4) Тm.

Таким образом, были получены все данные для расчета переходных процессов.

1.11.2 Расчет механического переходного процесса электропривода при наличии упругой механической связи

Для расчета данного переходного процесса необходимо знать ускорение и частоту свободных колебаний системы.

Решение уравнения имеет вид:

В абсолютно жесткой системе нагрузка передач в процессе пуска равна:

За счет упругих колебаний нагрузка возрастает и определяется по выражению:

Рисунок 13 - Упругие колебания нагрузки

1.11.3 Расчет электромеханического переходного процесса электропривода при абсолютно жестких механических связях

Для расчета данного переходного процесса необходимо, что бы были рассчитаны следующие величины:

Если отношение постоянных времени меньше четырех то используем следующие формулы для вычисления:

Рисунок 14 - Переходной процесс W(t)

Рисунок 15 - Переходной процесс М(t)

1.12 Расчет и построение уточненной нагрузочной диаграммы электродвигателя

Уточненная нагрузочная диаграмма двигателя должна быть построена с учетом пусковых и тормозных режимов работы двигателя в цикле.

Одновременно с расчетом нагрузочной диаграммы двигателя необходимо рассчитать величину среднеквадратичного момента на каждом участке переходного процесса.

Среднеквадратичный момент характеризует нагрев двигателя в том случае, когда двигатели работают на линейной части своих характеристик, где момент пропорционален току.

Для определения среднеквадратичных значений момента или тока реальная кривая переходного процесса аппроксимируется прямолинейными участками.

Значения среднеквадратичных моментов на каждом участке аппроксимации определим по выражению:

где М нач i – начальное значение момента на рассматриваемом участке,

М кон i – конечное значение момента на рассматриваемом участке.

Для нашей нагрузочной диаграммы необходимо определить шесть среднеквадратичных момента.

Для движения на естественной характеристике:

Для движения на рабочей характеристике:

1.13 Проверка электропривода на заданную производительность, по нагреву и перегрузочной способности

Проверка на заданную производительность механизма заключается в том, чтобы проверить, укладывается ли рассчитанное время работы в заданное техническим заданием t p .

где t рр – расчетное время работы электропривода,

t п1 и t п2 – времена первого и второго пусков,

t т1 и t т2 – времена первого и второго торможений,

t у1 и t у2 – времена установившихся режимов при работе с большей и малой нагрузкой,

t п2 , t п1 , t т2 , t т12 – берутся из расчета переходных процессов,

Проверку выбранного двигателя по нагреву в данном курсовом проекте следует выполнить методом эквивалентного момента.

Допустимый момент двигателя в повторно – кратковременном режиме определяют по выражению:

1.14 Принципиальная электрическая схема силовой части электропривода

Силовая часть представлена в графической части.

Описание силовой схемы электродвигателя

Управление электроприводом заключается, в – первых, в подключении обмоток двигателя к питающей сети при пуске и отключение при остановке и во – вторых, постепенного переключения релейно–контакторной аппаратурой ступеней пускового резистора по мере разгона двигателя.

Выведение ступеней пускового резистора в цепи ротора, возможно несколькими способами: в функции скорости, в функции тока и в функции времени. В данном проекте пуск двигателя осуществляется в функции времени.

Заключение

В данном курсовом был рассчитан электропривод тележки мостового крана. Выбранный двигатель не совсем удовлетворяет условиям, так как момент развиваемы двигателем больше, чем требуется для данного механизма, следовательно, необходимо выбрать двигатель с меньшим моментом. Так как перечень предлагаемых двигателей не полный, то мы оставляем данный двигатель с поправкой.

Так же для использования рабочей характеристики для пуска в обоих направлениях, мы допустили несколько больший скачек тока, при переходе на естественную характеристику. Но это допустимо, так как изменение схемы пуска привело бы к необходимости введения дополнительного сопротивления.

Список литературы

1.Ключев, В.И. Теория электропривода / В.И. Ключев. – М.: Энергоатомиздат, 1998.- 704с.

2.Чиликин, М.Г. Общий курс электропривода / М.Г. Чиликин. – М.: Энергоатомиздат, 1981. -576 с.

3.Вешеневский, С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе / С.Н. Вешеневский. – М.: Энергия, 1977. – 432 с.

4.Андреев, В.П. Основы электропривода / В.П. Андреев, Ю.А. Сабинин. – Госэнергоиздат, 1963. – 772 с.

Скачать курсовую: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.

Расчетную мощность, необходимую для привода насоса ЦНС 180-1900, определим по формуле :

где Q - подача насоса, м 3 /с;

Н - напор, развиваемый насосом, м;

р - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м 3 ,

(сеноманская вода имеет плотность 1012 кг/м 3);

з нас - КПД насоса, отн. ед.

КНС работают непрерывно при стабильной нагрузке.

Следовательно, электродвигатели насосов работают в

продолжительном режиме (S1). Тогда, расчетная мощность

насосного агрегата (с учетом коэффициента запаса, равного 1,2),

составит :

где К 3 - коэффициент запаса, отн. ед.;

з - КПД передачи, отн. ед.

Для привода центробежных насосов ЦНС 180-1900 выбираем синхронные двигатели, так как они наиболее полно удовлетворяют технологии работы КНС и, кроме того, обладают целым рядом преимуществ :

возможность регулирования значения и изменения знака реактивной мощности;

коэффициент полезного действия на 1,5 - 3 % выше, чем у асинхронного двигателя того же габарита;

наличие относительно большого воздушного зазора (в 2 - 4 раза больше, чем у асинхронного двигателя) значительно повышает надежность эксплуатации и позволяет, с механической точки зрения, работать с большими перегрузками;

строго постоянная частота вращения, не зависящая от нагрузки на валу, на 2 - 5 % выше частоты вращения соответствующего асинхронного двигателя; напряжение сети влияет на максимальный момент синхронного двигателя меньше, чем на максимальный момент асинхронного. Уменьшение максимального момента, вследствие понижения напряжения на его зажимах, может быть компенсировано форсировкой его тока возбуждения;

синхронные двигатели повышают устойчивость энергосистемы в нормальных режимах работы, поддерживают уровень напряжения;

могут быть изготовлены практически на любую мощность;

Принимая во внимание все выше сказанное, выбираем синхронные двигатели типа СТД 1600-2РУХЛ4 (производства Лысьвенского завода).

Технические данные электродвигателей приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Технические данные двигателя типа СТД 1600-2РУХЛ4

Синхронные двигатели типа СТД 1600-2 выбираем закрытого исполнения с замкнутым циклом вентиляции и одним рабочим концом вала, который соединяется при помощи муфты с насосом ЦНС 180-1900. Обмотка статора таких двигателей имеет изоляцию "МОНОЛИТ - 2" класса нагревостойкости F . Эти двигатели допускают прямой пуск от полного напряжения сети, если маховые моменты приводимых механизмов не превышают значений, указанных в табл. 1.2.

Работа двигателей СТД 1600-2 при напряжении выше 110% от номинального не допускается, а при понижении cosц допускается

при условии, что ток ротора не превышает номинального значения.

В случае потери возбуждения эти двигатели могут работать в асинхронном режиме при закороченной обмотке ротора. Допустимая нагрузка в асинхронном режиме определяется нагревом обмотки статора и не должна превышать значения, при котором ток статора на 10% больше номинального. В таком режиме работа допускается в течение 30 минут. За это время должны быть приняты меры по восстановлению нормальной работы системы возбуждения.

Двигатели СТД 1600-2 допускают самозапуск с погашением поля ротора и ресинхронизацию. Длительность самозапуска не должна превышать допустимого времени пуска двигателя из горячего состояния (см. табл. 1.2), а частота - не более одного раза в сутки.

Двигатели СТД 1600-2 допускают работу при несимметричном напряжении питания. Допустимое значение тока обратной последовательности равно 10% от номинального. При этом ток в наиболее нагруженной фазе не должен превышать номинального значения.

Тиристорное возбудительное устройство (ТВУ) предназначено для питания и управления постоянным током обмотки возбуждения синхронного двигателя. ТВУ позволяет осуществлять ручное и автоматическое регулирование тока возбуждения двигателя СТД 1600-2 во всех нормальных режимах работы.

В комплект ТВУ входят тиристорный преобразователь с блоками управления и регулирования, силовой трансформатор типа ТСП. ТВУ питаются от сети переменного тока 380 В, 50 Гц. Напряжение питания цепей защиты - 220 В постоянного тока.

ТВУ обеспечивает:

переход с автоматического регулирования на ручное в пределах (0,3 - 1,4) 1 ном с возможностью подстройки указанных пределов регулирования;

автоматический пуск синхронного двигателя с подачей возбуждения в функции тока статора или времени;

форсировку по напряжению возбуждения до 1,75 U B H0M при номинальном напряжении источника питания с регулируемой продолжительностью форсировки 20-50 с. Форсировка возбуждения срабатывает при падении напряжения сети более чем на 15 - 20% от номинального, а напряжение возврата составляет (0,82 - 0.95) U H0M ;

ограничение угла отпирания силовых тиристоров по

минимуму и максимуму, ограничение тока возбуждения до

номинального значения с выдержкой времени, а также ограничение

значения тока форсировки до 1,41 в ном без выдержки времени;

форсированное гашение поля двигателя переводом преобразователя в инверторный режим. Гашение поля осуществляется при нормальном и аварийном отключениях двигателя, а также при работе автоматического включения резерва (АВР), при условии сохранения питания ТВУ;

автоматический регулятор возбуждения (АРВ) обеспечивает регулирование тока возбуждения СТД 1600-2 для поддержания напряжения сети с точностью до 1,1 U H0M .

1. Анализ и описание системы «электропривод – рабочая машина»

1.1 Количественная оценка вектора состояния или тахограммы требуемого процесса движения

1.2 Количественная оценка моментов и сил сопротивления

1.3 Составление расчетной схемы механической части электропривода

1.4 Построение нагрузочной диаграммы и механической характеристики рабочей машины

2. Анализ и описание системы «электропривод - сеть» и «электропривод - оператор»

3.Выбор принципиальных решений

3.1 Построение механической части электропривода

3.2 Выбор типа привода (двигателя)

3.3 Выбор способа регулирования координат

3.4 Оценка и сравнение выбранных вариантов

4. Расчет силового электропривода

4.1 Расчет параметров и выбор двигателя

4.2 Расчет параметров и выбор силового преобразователя

5. Расчет статических механических и электромеханических характеристик двигателя и привода

6. Расчет переходных процессов в электроприводе за цикл работы

7. Проверка правильности расчета мощности и окончательный выбор двигателя

1. Анализ и описание системы «электропривод – рабочая машина»

1.1 Количественная оценка вектора состояния или тахограммы требуемого процесса движения

Скорость электропривода во время правки и на холостом ходу, которая выбирается из диапазона скоростей от 1,45 м/с до 2,4 м/с.

По описанию технологического процесса [ 1] , можно построить тахограмму требуемого процесса движения. По требованию процесса цикл работы происходит при постоянной скорости. Пуск и переход на другую скорость не входит в цикл работы. Тахограмма показана на рисунке 1 .

Рисунок 1- Тахограмма рабочего процесса

Определим значение минимальной угловой скорости двигателя исходя из тахограммы и условий задания:

(1)

где i - передаточное число редуктора;

v 1 - минимальная скорость передвижения листа;

R - радиус рабочих и опорных роликов.

Максимальная угловая скорость двигателя:

(2)

где v 2 - максимальная скорость передвижения листа.

Рассмотрим два случая:

1)прогонка максимальной длины листа с минимальной скоростью;

2) прогонка минимальной длины листа с максимальной скоростью.

Первый случай.

Время прокатки:

(3)

где L max - максимальная длина листа.

По условию задания ПВ механизма - 75%. Определим время цикла:

(4)

Время холостого хода:

Второй случай.

(6)

Будем выбирать двигатель с расчётным режимом S1 т.к. за время цикла работы привода отсутствуют паузы.

1.2 Количественная оценка моментов и сил сопротивления

Зная общий суммарный момент при максимальной нагрузке, отнесенный к рабочим валкам, можно определить статический момент, приведенный к валу:

(7)

где - КПД механизма (считается неизменным).

Момент холостого хода, приведенный к валу двигателя, задан и равен:

Момент на валу двигателя во время правки определяется по формуле:

1.3 Составление расчетной схемы механической части электропривода

Для теоретического исследования реальную механическую часть электропривода (рисунок 2) заменяем динамически эквивалентной приведенной расчётной схемой, состоящей из сосредоточенных инерционных элементов, соединённых между собой упругими связями, и обладающей таким же энергетическим запасом, как и реальная исходная система привода. Параметрами эквивалентной приведенной расчётной схемы являются суммарные приведенные моменты инерции масс, образованные приведенными массами, связи между которыми приняты жёсткими, и эквивалентные приведенные жёсткости упругих механических связей.

Рисунок 2 - Кинематическая схема механизма

Электропривод состоит из следующих кинематических элементов:

1 - электродвигатель;

2 - редуктор;

3 - шестерная клеть;

4 - универсальные шпиндели;

5 - рабочая клеть.

Момент инерции муфт между двигателем и редуктором равен 16 кг*м 2 ,момент инерции муфт между редуктором и шестерной клетью равен 40,2 кг*м 2 , одного шпинделя - 0,003 кг*м 2 . Момент инерции редуктора, приведенный к валу двигателя, равен 30% от J дв.

Количество шпинделей -17, количество рабочих роликов -17, опорных - 15.

Механическая часть электропривода листоправильного стана представляет собой трехмассовую систему, состоящую из роторов (якорей) двигателей с полумуфтами на валах - J1, редуктора с полумуфтами на его входном и выходном валах - J2 и рабочий орган машины, также с полумуфтами на входном валу - J3. Упругими звеньями данной системы являются жесткости соединительных муфт С 12 и С 23 .

Рассчитаем параметры полученной схемы.

Момент инерции первой массы:

где J пм1 - момент инерции полумуфт на валах двигателей.

Момент инерции редуктора с полумуфтами на его входном и выходном валах (учитывая, что момент инерции редуктора, приведенный к валу двигателя, равен 30% от J дв) равен:

где J пм2 - момент инерции полумуфты на выходном вале редуктора.

Момент инерции рабочего органа привода с полумуфтами на входном валу, приведенный к валу двигателя, рассчитывается по следующему выражению:

(11)

где J рол – суммарный момент инерции рабочих и опорных роликов;

J шп - момент инерции шпинделей;

J пм - момент инерции полумуфт;

i – передаточное отношение редуктора.

Определим момент инерции ролика:

где L - длина ролика, м;

D - диаметр ролика, м;

Плотность материала(=7,66*10 3 кг/м 3).

Учитывая количество рабочих и опорных роликов, получим:

Момент инерции шпинделей:

Тогда момент инерции рабочего органа будет равен:

Жесткость муфты между редуктором и шестерной клетью, приведенная к валу двигателя:

.(15)

Учитывая, что при параллельном соединении упругих элементов жесткости складываются, найдем жесткости соединительных муфт С 12 и С 23 ,которые являются упругими звеньями трехмассовой системы:

где С м1 - жесткость соединительной муфты между двигателем и редуктором.

Расчет переходных процессов в трехмассовой системе сложен, поэтому преобразуем систему в двухмассовую.

Рассчитаем параметры схемы. Эквивалентная жесткость двухмассовой расчетной схемы:

Переход и обоснование перехода к одномассовой расчетной схеме будет приведен ниже.

1.4 Построение нагрузочной диаграммы и механической характеристики рабочей машины

Нагрузочная диаграмма механизма представляет собой зависимость приведенного к валу двигателя момента в функции времени за цикл работы.

Рабочий цикл представляет собой чередование работы привода при движении листа и холостая работа машины до начала следующего цикла работы. Строим упрощенную нагрузочную диаграмму рабочей машины, которая строится по рассчитанным для каждого участка цикла работы статическим нагрузкам, то есть без учета динамических нагрузок. Динамические нагрузки не входят в цикл работы, так как машина работает с постоянной скоростью.

Упрощенная нагрузочная диаграмма имеет вид:

На интервале холостого хода момент равен моменту холостого хода;

На интервале правки момент равен сумме моментов статического на оси рабочих валков, приведенного к валу двигателя и холостого хода.

Нагрузочная диаграмма представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Нагрузочная диаграмма механизма

Механическая характеристика рабочей машины есть зависимость приведенного статического момента от скорости вала двигателя. Согласно заданию эта зависимость близка к параболической.

Механическая характеристика рабочей машины представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Механическая характеристика рабочей машины

2. Анализ и описание системы «электропривод-сеть» и «электропривод- оператор»

Электропривод листоправильного стана получает питание от 3-х фазной сети переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 380В.

Стандартами предусмотрено и допускается изменение напряжения сети ±10% и частоты ±2,5 % (ГОСТ 13109-87). Данное явление вызвано, среди всего прочего, наличием других мощных потребителей энергии в условиях цеха, завода. Это значительно влияет на работу двигателей, накладывает дополнительные требования к организации их работы.

При помощи автоматического выключателя QF1 подключаем напряжение на преобразователь частоты.

Нажатием кнопки ПУСК привод включается, далее привод работает в автоматическом режиме, для постоянного контроля работы привода оператор не требуется.

3. Выбор принципиальных решений

3.1 Построение механической части электропривода

Кинематическая схема главного электропривода листоправильного стана изображена на рисунке 2. Основная операция - правка, производится с помощью вращающихся валков, расположенных в рабочей клети. Верхний рабочий валок перемещается в вертикальной плоскости, а ось нижнего валка находится всегда в неизменном положении.

Передаточные механизмы в раскатном стане состоят из редуктора, шестерной клети, рабочих шпинделей и соединительных муфт.

Редуктор предназначен для того, чтобы при небольших скоростях раскатки получить возможность применение двигателя с относительно большой номинальной скоростью и тем самым снизить габариты и стоимость двигателя и всей установки в целом.

Шпиндели служат для передачи вращения валкам от шестерной клети. Необходимость их применения заключается в том, что с изменением положения верхнего валка изменяется и расстояние между этим валком и шестерной клетью, а также угол между валом шестерной клети и шпинделем.

Муфты применяются для соединения шестерной клети и двигателя с редуктором.

3.2 Выбор типа привода (двигателя)

Основой выбора типа двигателя является технические условия на проектирование привода листоправильного стана:

Продолжительный режим работы;

Плавное регулирование скорости в заданном диапазоне.

Выше перечисленным условиям соответствуют следующие приводы:

1 Частотный преобразователь - асинхронный двигатель;

2 Управляемый выпрямитель - двигатель постоянного тока;

3 Каскадная схема;

4 Генератор - двигатель.

3.3 Выбор способа регулирования координат

При выборе способа регулирования координат (скорости) необходимо учитывать энергетический аспект выбора способа регулирования. Это значит, что минимальный габарит двигателя и его полное использование по нагреву имеет место тогда, когда способ регулирования скорости по показанию допустимой нагрузки соответствует зависимости нагрузки от скорости.

Так как механическая характеристика механизма является вязкой нагрузкой, то целесообразно использовать способ регулирования скорости при постоянстве мощности, т.е. регулирование с Р = const. В случае применения такого способа двигателю обеспечивается наилучший тепловой режим.

В системе частотный преобразователь (АИН ШИМ) – асинхронный двигатель необходимая скорость получается путем изменения частоты и формирования напряжения на статоре (вольт частотное управление) либо путем регулирования частоты и формировании вектора основного потокосцепления машины (векторное управление).

В системах управляемый выпрямитель – двигатель постоянного тока и генератор – двигатель необходимая скорость получается путем изменения напряжения питания якоря.

В каскадной схеме регулирование скорости осуществляется путем введения добавочной ЭДС в цепь ротора машины.

3.4 Оценка и сравнение выбранных вариантов

Система генератор – двигатель морально устарела, поэтому при сравнении выбранных вариантов учитываться не будет.

Проведение строгих технико-экономических расчётов не представляется возможным из-за отсутствия требуемых исходных данных, поэтому для оценки и сравнения выбранных вариантов воспользуемся приблизительным методом – “методом экспертных оценок”. Сравнение вариантов решения производится относительно n характеристик системы, важных с точки зрения цели проектирования путём сравнения определённых значений соответствующих показателей качества q i . Показатели качества служат для количественной характеристики степени выполнения требований задания на проектирование электропривода, а также других требований рабочей машины.

Оценку электроприводов будем вести по следующим показателям качества:

1 - диапазон регулирования;

2 - КПД электропривода;

3 - коэффициент мощности;

4 - массогабаритные показатели;

5 - стоимость электропривода;

6 - надежность электропривода;

7 - ресурс работы;

8 - затраты на эксплуатацию;

9 - точность регулирования;

Оценим выполнение требований к i-ой характеристике системы по следующему критерию:

5 - требования к i-ой характеристике системы выполнено очень хорошо;

qi = 4 - требования к i-ой характеристике системы выполнено хорошо;

3 - требования к i-ой характеристике системы выполнено удовлетворительно;

2 - требования к i-ой характеристике системы выполнено неудовлетворительно.

Системы ПЧ – АД и УВ – ДПТ с обратной связью по скорости обеспечивают очень большой диапазон регулирования, поэтому требования к диапазону регулирования выполняются очень хорошо. В каскадной схеме диапазон ограничивается мощностью преобразователя, т.е. при увеличении диапазона мощность преобразователя становится больше мощности двигателя, поэтому требования к диапазону регулирования выполняются удовлетворительно.

КПД приводов мощностью достаточно высок, поэтому требования к КПД привода выполняются очень хорошо.

Требования к коэффициенту мощности во всех приводах выполняются хорошо.

Массогабаритные показатели привода определяются массогабаритными показателями двигателя и преобразователя. Современные приводы ПЧ – АД и УВ – ДПТ имеют очень хорошие массогабаритные показатели, поэтому требования к массогабаритным показателям привода выполняются очень хорошо, а каскадная схема имеет несколько худшие массогабаритные показатели, поэтому требования к массогабаритным показателям привода выполняются хорошо.

Требование к стоимости в приводах УВ – ДПТ и каскадной схемы выполняется очень хорошо, а в приводе ПЧ – АД несколько хуже в связи тем, что стоимость ПЧ – АД несколько выше стоимости УВ – ДПТ и каскадной схеме.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет коллекторного узла и щеточных контактов, поэтому требования к надежности и ресурсу работы выполняются очень хорошо. В каскадной схеме двигатель не имеет коллекторного узла, но имеет щеточный контакт, поэтому требования к надежности и ресурсу работы выполняются хорошо. Двигатель постоянного тока имеет коллекторный узел, поэтому требования к надежности выполняются неудовлетворительно, а при надлежащем уходе за коллектором требования к ресурсу работы выполняются удовлетворительно.

Привод ПЧ – АД не требует эксплуатационных затрат, поэтому требования к эксплуатационным затратам выполняются очень хорошо. В каскадной схеме необходима периодическая проверка щеточных контактов, поэтому требования к эксплуатационным затратам выполняются хорошо. В приводе УВ – ДПТ необходим более частый осмотр коллекторного узла, а также периодическая чистка щеток, поэтому требования к эксплуатационным затратам выполняются удовлетворительно.

В приводе УВ – ДПТ требования к точности регулирования выполняются очень хорошо. В приводе ПЧ – АД требования к точности регулирования выполняются хорошо. В каскадной схеме требования к точности регулирования выполняются удовлетворительно.

Выбор варианта в качестве наилучшего зависит от того, насколько равноправными являются характеристики системы, т.е. нужно оценить их значимость. Для этого вводятся весовые коэффициенты λ i , которые можно определить следующим образом:

5 - i-я характеристика системы имеет определяющее значение для цели разработки;

4 - -“- очень большое, но не определяющее значение;

li= 3 - -“- важное;

2 - -“- желательно учесть;

1 - -“- несущественно для цели разработки.

Задачей электропривода является совершение полезной работы с минимумом потерь, поэтому КПД электропривода имеет определяющее значение.

Потребление реактивной мощности из сети нормируется, (за превышение нормы предприятию приходится платить штраф), поэтому коэффициент мощности имеет определяющее значение.

Так как листоправильный стан является агрегатом непрерывного действия и невынужденный простой его приводит к огромным убыткам, поэтому надежность и ресурс работы имеют определяющее значение.

Согласно заданию привод должен обеспечить относительно небольшой диапазон регулирования, поэтому этот показатель качества не имеет очень большого и определяющего значения и его можно охарактеризовать как важный.

Стоимость имеет очень большое значение. Однако, как известно, стоимость тесно связана с качеством, поэтому такой показатель как стоимость имеет большое, но не определяющее значение.

Обычно на металлургических предприятиях имеются помещения достаточные для размещения стана, поэтому массогабаритные показатели стана не имеет очень большого и определяющего значения. Однако с увеличение массы стана увеличивается и его стоимость, поэтому этот показатель можно охарактеризовать как важный.

Оценочная диаграмма представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Оценочная диаграмма (показатели качества: 1 - диапазон регулирования; 2 – КПД электропривода; 3 - коэффициент мощности; 4 - массогабаритные показатели; 5 - стоимость электропривода; 6 - надежность электропривода; 7 - ресурс работы; 8 - затраты на эксплуатацию; 9 - точность регулирования)

Выбор наилучшего решения производится определением взвешенной суммы, (лучший вариант имеет большую сумму) по формуле:

где - показатель качества;

Весовой коэффициент;

Взвешенная сумма.

Определим взвешенные суммы:

В результате получаем, что максимальную взвешенную сумму имеет следующий привод: преобразователь частоты – асинхронный двигатель.

Следовательно, данный привод и подлежит дальнейшему расчету.

4. Расчет силового электропривода

4.1 Расчет параметров и выбор двигателя

Расчетный режим работы двигателя – длительный с переменной нагрузкой, так как в процессе работы двигателя паузы отсутствуют, и нагрузка изменяется скачками (рисунок 5).

Так как необходимые исходные данные для расчета мощности двигателя методами средних потерь, эквивалентного тока отсутствуют, поэтому воспользуемся менее точным методом – методом эквивалентного момента, считая, что постоянные потери, сопротивления двигателя в процессе работы не изменяются, а также, что момент, развиваемый двигателем, пропорционален току.

Согласно нагрузочной диаграмме и механической характеристике рабочей машины момент эквивалентный равен:

(21)

где - коэффициент ухудшения охлаждения машины при работе со скоростью ;

Коэффициент ухудшения охлаждения при паузах, зависящий от вентиляции двигателя (для закрытых самовентилируемых двигателей =0,45 -0,55)

Диапазон регулирования при работе со скоростью .

Дополнительную нагрузку, создаваемую динамическим моментом, будем учитывать коэффициентом запаса .

Рассчитаем момент эквивалентный без учета коэффициента ухудшения охлаждения машины при работе со скоростью отличной от номинальной для двух предельных режимов работы привода:

1)прогонка максимальной длины листа с минимальной скоростью:

;

2) прогонка минимальной длины листа с максимальной скоростью:

Примем момент наибольший из двух приведенных случаев:

.

По заданию проекта требуется обеспечить работу в диапазоне скоростей, следовательно, частоты вращения двигателя:

об/мин;(22)

об/мин;(23)

Минимальная частота вращения двигателя - n дв =500 об/мин, она меньше требуемой. Поэтому регулировать приводом мы будем в 1-ой зоне.

Применяя частотно регулируемый привод, мы сможем обеспечить требуемую частоту вращения.

Оценим необходимую мощность двигателя:

Критерии выбора двигателя следующие:

При выборе необходимо выбирать двигатель с , чтобы более полно использовать двигатель по мощности.

Однако промышленностью выпускаются двигатели (стандартной серии 4А) мощностью больше 197,3 кВт (200кВт) только на обороты свыше 1000 об/мин (104,6 рад/с) и выше, причем при увеличении мощности увеличивается номинальная скорость двигателей.

Так же при увеличении номинальной скорости двигателя уменьшается номинальный момент, согласно формуле

откуда следует, что для того чтобы двигатель не перегревался в процессе работы необходимо завысить мощность двигателя.

Таким образом, необходимо выбирать двигатель мощностью и об/мин. Однако стандартного двигателя (серии 4А) с такими параметрами нет.

Из-за невозможности выполнения привода большой мощности с одним двигателем будем строить электропривод, состоящий из двух машин. Взаимосвязный электропривод в установках большой мощности позволяет уменьшить нагрузку каждого привода и тем самым облегчить передачу к рабочему органу, уменьшить суммарный момент инерции роторов двигателей.

Таким образом, из справочника выбираем двигатели (серии 4А) с идентичными параметрами (поэтому далее все расчеты будем производить для одного двигателя):

4А355M12У3(IP44),

Р н = 110кВт – номинальная мощность,

n = 500 об/мин – синхронная частота вращения,

s н = 0,02 – номинальное скольжение,

Номинальный КПД,

- момент инерции ротора,

Кратность критического момента,

Кратность пускового момента,

О.е.; о.е.; о.е.; о.е.; о.е. – параметры схемы замещения в о.е.

Номинальная скорость двигателя равна:

Номинальный момент двигателя:

(28)

Для того чтобы двигатель не перегревался, необходимо, чтобы момент допустимый по нагреву двигателя (равный моменту номинальному двигателя) был больше либо равен моменту эквивалентному:

(29)

Таким образом, выбранный двигатель проходит по нагреву.

Проверяем правильность выбора двигателя по перегрузочной способности и по условиям пуска.

Привод пускается на холостом ходу, тогда:

(30)

По перегрузочной способности:

(31)

где U = 0.9U н – учитываем возможное снижение питающего напряжения на 10%.

4.2 Расчет параметров и выбор силового преобразователя

Требуется выбрать преобразователь частоты со следующими характеристиками:

Тип преобразователя – АИН ШИМ;

Закон управления – P=const;

Питающая сеть: ~3 380В 50Гц;

Мощность преобразователя – Р=75 кВт.

Выбираем преобразователь Omron 3G3FV А4750 CUE. Высоко динамичный с большой глубиной регулирования. Пусковой момент до 150% с 3 Hz. Отличается режимом векторного управления, возможностью работы с полным моментом в области нулевых частот и улучшенными динамическими характеристиками: имеет функцию автоматического определения параметров электродвигателя. 7 дискретных входов (6 из них программируемые), 3 аналоговых входа (1 программируемый) (0-10В или 4-20мА). 2 аналоговых выхода для мониторинга частоты или тока. 2 программируемых релейных выхода (до 1А). 2 опторазвязанных выхода Встроенный RS232/RS485/422 + PID + Энергосбережение + neuro-Fuzzy + крановые характеристики.

Таблица 1 – Характеристики преобразователя

Частотный преобразователь обеспечивает полную защиту преобразователя и двигателя от перегрузок по току, перегрева, утечки на землю, и обрыва фазы.

5. Расчет статических механических и электромеханических характеристик двигателя и привода

Механическая характеристика рассчитывается по формуле:

(32)

где - фазное напряжение на статоре;

Активное сопротивление фазы статора, Ом;

Активное сопротивление фазы ротора, приведенное к цепи статора, Ом;

Индуктивное сопротивление фазы статора, Ом;

Индуктивное сопротивление фазы ротора, приведенное к цепи статора, Ом;

s – скольжение;

Скорость идеального холостого хода (магнитного поля).

Сопротивления фаз статора и приведенные сопротивления фаз ротора рассчитаем по справочным данным.

Базисное значение сопротивления:

(33)

где в качестве базисных значений напряжения и тока принимаем номинальные значения фазного напряжения и тока статора:

Построим естественную механическую характеристику по формуле (41) используя математический пакет Mathcad, учитывая, что , подставляя , откладывая по оси х момент М, а по оси у - скорость двигателя .

Естественная механическая характеристика двигателя представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Естественная механическая характеристика двигателя

Рассчитаем электромеханические характеристики двигателя.

В качестве базисной величины тока, принимаем номинальное значение тока ротора, приведенного к статорной цепи.

Зависимость приведенного тока ротора от скольжения определяется по формуле:

(36)

Зависимость тока статора от скольжения определяется по формуле:

(37)

где - относительный ток ротора;

Максимальное значение относительного тока ротора;

Относительный ток намагничивания;

Номинальный ток статора.

Максимальное значение относительного тока ротора:

(38)

где - критическое скольжение;

.(39)

Относительный ток намагничивания:

(40)

Относительный ток ротора:

(41)

Построим естественную электромеханическую характеристику роторного тока и электромеханическую характеристику статорного тока, используя математический пакет Mathcad, подставляя , откладывая по оси х ток I, а по оси у - скорость двигателя .

Естественные ЭМХ двигателя представлены на рисунке 9.

Рисунок 9 - Естественные электромеханические характеристики двигателя

Так как для регулирования скорости применяется ПИ – регулятор (будет показано ниже), который дает нулевую статическую ошибку, поэтому механическая характеристика привода будет абсолютно жесткой.

Рисунок 10 - Механическая характеристика привода

6. Расчет переходных процессов в электроприводе за цикл работы

Для получения более простых передаточных функций регуляторов необходимо перейти от двухмассовой расчетной схемы к одномассовой расчетной схеме.

Обоснование перехода к одномассовой расчетной схеме:

Используются только обратные связи по переменным двигателя;

Частота собственных колебаний:

Условие перехода: .

Как показано ниже Т  привода составляет 0,0258, тогда . Тогда условие перехода выполняются () и, следовательно, можно перейти к одномассовой расчетной схеме.

Суммарный момент инерции одномассовой расчетной схемы будет равен:

Одномассовая расчетная схема представлена на рисунке 11

Рисунок 11 - Одномассовая расчетная схема

При регулировании зависимость момента допустимого по нагреву двигателя от скорости должна повторять зависимость момента статического от скорости.

Для управления приводом будем использовать двухконтурную систему автоматического регулирования с вольт/частотным управлением с последовательной коррекцией звеньев, с внутренним контуром регулирования момента и внешним контуром регулирования скорости.

При вольт/частотном управлении организуется два канала управления: канал управления частотой питания и канал управления напряжением. Стабилизация скорости осуществляется путем регулирования напряжения в функции частоты и в функции нагрузки.

Рассмотрим канал регулирования частоты.

Разлаживая уравнения динамической механической характеристики в ряд и линеаризуя полученные уравнения в окрестности точки М=0, s=0, получим линеаризованную модель асинхронного двигателя, справедливую для .

Вследствие того, что в асинхронном электроприводе сложно измерять момент двигателя, вместо регулирования момента по отклонению применяют регулирование по возмущению. Т.к. возмущающим воздействием для контура регулирования момента является скорость, то будем вводить положительную обратную связь по скорости, с коэффициентом передачи .

Регулировать скорость двигателя будем по отклонению, вводя отрицательную обратную связь по скорости.

Структурная схема канала регулирования частоты представлена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Структурная схема канала регулирования частоты

Рассмотрим контур регулирования момента.

Для статического режима:

Нулевая ошибка будет обеспечена, если:

.(44)

Максимальное значение момента двигателя:

При вольт/частотном управлении с :

(46)(47)

Электромагнитная постоянная времени:

(48)

Жесткость механической характеристики:

(49)

Коэффициент передачи преобразователя по частоте определяется отношением максимального сигнала на выходе преобразователя к максимальному сигналу на выходе регулятора момента:

.(50)

Максимальное значение момента ограничения равно критическому моменту естественной характеристики двигателя:

Из уравнения (45) находим К рм:

Регулятор момента представляется в виде П – регулятора.

Предельное значение коэффициента усиления обратной связи, обеспечивающее регулирования момента с нулевой ошибкой:

(53)

Для расчета контура скорости представим контур момента в виде звена:

Обозначив , получим передаточную функцию оптимизированного контура регулирования момента:

(55)

Структурная схема контура регулирования скорости представлена на рисунке 13

Рисунок 13 – Структурная схема контура регулирования скорости

Коэффициент передачи датчика отрицательной обратной связи по скорости рассчитывается как отношение максимальной скорости на соответствующее напряжение задания:

(56)

Малой некомпенсируемой постоянной времени контура регулирования скорости является электромагнитная постоянная двигателя, т.е. принимаем .

Большой компенсируемой постоянной времени контура регулирования скорости является механическая постоянная двигателя.

Для получения нулевой ошибки в статике и форсировки переходных процессов в динамике регулятор скорости должен быть ПИ – регулятор.

Настроим регулятор скорости на симметричный оптимум.

Желаемая передаточная функция контура скорости настроенного на симметричный оптимум:

.(57)

Передаточная функция объекта регулирования:

(58)

Разделив желаемую передаточную функцию контура скорости, на передаточную функция объекта регулирования получим передаточную функцию регулятора скорости:

;

.

Для того чтобы убрать перерегулирование, по заданию необходимо на входе контура скорости поставить фильтр с постоянной времени и следующей передаточной функцией:

(61)

Расчет переходных процессов производятся в пакете Matlab.

В модели будем использовать одномассовую консервативную расчетную схему привода.

Модель привода представлена на рисунке 14.

Рисунок 14 – Модель привода

Графики переходных процессов – момента электромагнитного двигателя и скорости первой массы, приведенные к валу двигателя - представлены на рисунках 15, 16.

Рисунок 15 – График переходного процесса скорости первой массы

Рисунок 16 – График переходного процесса электромагнитного момента

В результате моделирования получили, что перерегулирование скорости составляет:

7. Проверка правильности расчета мощности и окончательный выбор двигателя

Проверку правильности расчета мощности выполним методом средних потерь.

Полные номинальные потери в двигателе равны:

Переменные номинальные потери в двигателе равны:

Тогда постоянные потери будут равны:

Средние потери за цикл работы равны:

(65)

где - потери в i-й момент времени,

Коэффициент ухудшения охлаждения при работе со скоростью ,

Т ц =6.9 с – время цикла.

Потери в i-й момент времени можно определить из следующего выражения:

,(66)

где,

Степень загрузки двигателя.

.(66’)

Подставляя (66’) в (65) получим:

(67)

Используя выражения (67) найдем средние потери за цикл работы.

Для нахождения средних потерь по формуле (67) воспользуемся моделью привода.

Сначала возводим в квадрат момент электромагнитный двигателя. Потом делим полученное значение на квадрат номинального момента и прибавляем . Затем интегрируем полученное значение и умножаем на , получаем значение средних потерь за цикл работы.

Модель для нахождения средних потерь за цикл работы представлена на рисунке 17.

Рисунок 17 - Модель для нахождения средний потерь за цикл работы

В результате моделирования было получено, что средние потери за цикл работы равны:

.

Тогда коэффициент загрузки двигателя составляет:

(68)

Таким образом, двигатель загружен на 80% (70%<80%<100%), следовательно, оставляем выбранный двигатель.

Министерство образования и науки Российской Федерации НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Автомобильный транспорт»

РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Методические указания к выполнению дипломных, курсовых и лабораторных работ по курсу

«Основы расчёта, проектирования и эксплуатации технологического оборудования АТП» для студентов специальности

«Автомобили и автомобильное хозяйство» всех форм обучения

Нижний Новгород 2010

Составитель В. С. Козлов.

УДК 629.113.004

Расчёт электропривода: Метод. указания к выполнению лаб. работ / НГТУ; Сост.: B.C. Козлов. Н. Новгород, 2005. 11 с.

Рассмотрены рабочие характеристики асинхронных трёхфазных электродвигатей. Приведена методика выбора электродвигателей привода с учётом пусковых динамических перегрузок.

Редактор Э.Л. Абросимова

Подл. к печ. 03.02.05. Формат 60x84 1/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Печ. л. 0,75. Уч.-изд. л. 0,7. Тираж 100 экз. Заказ 132.

Нижегородский государственный технический университет. Типография НГТУ. 603600, Н. Новгород, ул. Минина, 24.

© Нижегородский государственный технический университет, 2005

1. Цель работы.

Изучить характеристики и выбрать параметры электродвигателей гидропривода и привода грузоподъёмных механизмов с учётом инерциальных составляющих.

2. Краткие сведения о работе.

Выпускаемые промышленностью электродвигатели по роду тока подразделяются на следующие типы:

- двигатели постоянного тока, питаемые постоянным напряжением, или с регулируемым напряжением; эти двигатели допускают плавное регулирование угловой скорости в широких пределах, обеспечивая плавный пуск,торможение и реверс, поэтому их применяют в приводах электротранспорта, мощных подъёмниках и кранах;

- однофазные асинхронные двигатели небольшое мощности, применяемые в основном для привода бытовых механизмов;

- трёхфазные двигатели переменного тока (синхронные и асинхронные), угловая скорость которых не зависит от нагрузки и практически не регулируется; по сравнение с асинхронными двигателями синхронные имеют более высокий КПД и допускают большую перегрузку, но уход за ними более сложен и стоимость их выше.

Трёхфазные асинхронные двигатели - самые распространённые во всех отраслях промышленности. По сравнению с остальными для них характерны следующие преимущества: простота конструкции, наименьшая стоимость, простейший уход, непосредственное включение в сеть без преобразователей.

2.1. Характеристики асинхронных электродвигателей.

На рис. 1. представлены рабочие (механические) характеристики асинхронного двигателя. Они выражают зависимость угловой скорости вала двигателя от вращающего момента (рис. 1.а) или вращающего момента от скольжения (рис. 1.6).

Рис. 1 Характеристики двигателей.

На этих рисунках МПУСК - пусковой момент, МНОМ - номинальный момент, ωС - синхронная угловая скорость, ω - рабочая угловая скорость двигателя под нагрузкой,

θ - скольжение поля, определяемое по формуле:

С − = N С − N

С N С

В пусковом режиме при изменении момента от МПУСК до ММАХ угловая скорость возрастает до ωКР . Точка ММАХ , ωКР - критическая, работа при этом значении момента недопустима, так как двигатель быстро перегревается. При снижении нагрузки от ММАХ до МНОМ , т.е. при переходе к длительному установившемуся режиму, угловая скорость возрастёт до ωНОМ , точка МНОМ , ωНОМ соответствует номинальному режиму. При дальнейшем снижении нагрузки до нуля угловая скорость возрастает до ωС .

Пуск двигателя осуществляется при θ = 1 (рис.1.б), т. е. при ω = 0; при критическом скольжении θКР двигатель развивает максимальный момент ММАХ , работать на этом режиме нельзя. Участок между ММАХ и МПУСК почти прямолинейный, здесь момент пропорционален скольжению. При θНОМ двигатель развивает номинальный момент и может работать в этом режиме длительное время. При θ = 1 момент падает до нуля, а частота вращения без нагрузки возрастает до синхронной NC , зависящей лишь от частоты тока в сети и числа полюсов двигателя.

Так, при нормальной частоте тока в сети 50 Гц асинхронные электродвигатели, имея число полюсов от 2 до 12, будут иметь следующие синхронные частоты вращения;

NC = 3000 ÷ 1500 ÷ 1000 ÷ 750 ÷ 600 ÷ 500 об/мин.

Естественно, что в расчёте электропривода надо исходить из несколько меньшей расчётной частоты вращения под нагрузкой, соответствующей номинальному режиму работы.

2.2. Потребная мощность и выбор электродвигателя.

Электроприводы механизмов циклического действия, характерных для АТП, работают в повторно-кратковременном режиме, особенностью которого являются частые пуски и остановки двигателя. Потери энергии в переходных процессах при этом непосредственно зависят от приведённого к валу момента инерции механизма и момента инерции самого двигателя. Все эти особенности учитывает характеристика интенсивности использования двигателя, называемая относительной продолжительностью включения:

где tB , tQ - время включения и время паузы двигателя, a tB + tО - суммарное время

Для отечественных серий электродвигателей время цикла установлено равным 10 мин., а в каталогах на крановые двигатели приведены номинальные мощности для всех стандартных продолжительностей ПВ, т. е. 15%, 25%, 40%, 60% и 100%.

Выбор электродвигателя грузоподъёмного механизма производят в следующей последовательности:

1. Определяют статическую мощность при подъёме груза в установившемся

где Q - вес груза, Н,

V - скорость подъёма груза, м/с,

η – общий КПД механизма = 0,85 ÷ 0,97

2. Используя формулу (1) определяют фактическую продолжительность

включения (ПВФ ), подставляя в неё tВ - фактическое время включения двигателя за цикл.

3. В случае совпадения фактической продолжительности включения (ПВ Ф ), и стандартного (номинального) значения ПВ, по каталогу выбирают электродвигатель

так, чтобы его номинальная мощность NД была равна иди несколько больше статической мощности (2).

В том случае, когда значение ПВФ не совпадает со значением ПВ, двигатель выбирают по мощности NН вычисленной по формуле

Мощность выбранного двигателя NД должна быть или несколько больше значения NН .

4. Двигатель проверяют на перегрузку при пуске. Для этого по его номинальной мощности NД и соответствующей частоте вращения вала nД определяют номинальный момент двигателями

где МД - в Н·м, NД - в кВт, nД - в об/мин.

По отношению пускового момента МП , рассчитанного ниже см. (5,6,7), к моменту МД находят коэффициент перегрузки:

К П = М П

М Д

Расчётное значение коэффициента перегрузки не должно превышать допускаемые для данного типа двигателя значения - 1,5 ÷ 2,7 (см. Приложение 1).

Пусковой момент на валу двигателя, развиваемый при разгоне механизма, можно представить как сумму двух моментов: момента МСТ сил статического сопротивления и момента сопротивления МИ сил инерции вращающихся масс

механизма:

Для грузоподъёмного механизма, состоящего из двигателя, редуктора, барабана и полиспаста с заданными параметрами ИМ - передаточное число между двигателем и барабаном, аП - кратность полиспаста, IД - момент инерции

вращающихся частей двигателя и соединительной муфты, RБ - радиус барабана, Q - вес груза, σ = 1,2 - поправочный коэффициент, учитывающий инерцию остальных вращающихся масс привода, можно записать

где суммарный приведённый к валу двигателя момент инерции движущихся масс механизма и груза при разгоне

Q R2

I ПР.Д = 2 Б 2 I Д (7)

g И М aП

Ввиду незначительности инерциальных масс гидромеханизмов, электродвигатель гидропривода подбирается исходя из максимальной мощности и соответствия числа оборотов выбранного насоса - см. лаб. работу "Расчёт гидропривода".

3. Порядок выполнения работы.

Работа выполняется в индивидуальном порядке согласно назначенного варианта. Черновые расчёты с окончательными выводами предъявляются преподавателю в конце занятия.

4. Оформление работы и сдача отчёта.

Отчёт выполняется на стандартных листах формата А4. Последовательность оформления: цель работы, краткие теоретические сведения, исходные данные, расчётное задание, расчётная схема, решение задачи, выводы. Сдача работы ведётся с учётом контрольных вопросов.

Используя исходные данные Приложения 2 и беря недостающие из Приложения 1 выбрать электродвигатель грузоподъёмного механизма. Определить коэффициент перегрузки двигателя при пуске.

По результатам лабораторной работы "Расчёт гидропривода" подобрать электродвигатель к выбранному гидравлическому насосу.

6. Пример выбора двигателя механизма подъёма стрелы с электроприводом. Определение коэффициента перегрузки двигателя при пуске.

Исходные данные: грузоподъёмная сила крана Q = 73 500 Н (грузоподъёмность 7,5 т); скорость подъёма груза υ=0,3 м/с; кратность полиспаста аП = 4; общий КПД механизма и полиспаста η = 0,85; радиус барабана лебёдки механизма подъёма RБ = 0,2 м; режим работы двигателя соответствует номинальному ПВФ = ПВ = 25%

Угловая скорость вала, двигателя

N Д = 3,14 750 = 78,5 рад / сек

Д 30 30

Передаточное число механизма

и м = Д = 78,5 = 13,08 Б 6,0

3. Находим статический момент сопротивления, приведённый к валу двигателя

М С.Д = Q R Б = 73500 0,2 ≈ 331 Н м и М а П 13,08 4 0,85

4. Рассчитываем суммарные приведенный (к валу двигателя) момент инерции механизма и груза при разгоне

0,129 3,15≈ 3,279 кг м 2

5. Определяем избыточный момент, приведенный к валу двигателя при времени разгона t P = 3 с.

М ИЗБ. Д. = J " ПР.Д t Д = 3,279 78,5 ≈ 86 Н м

Р 3

6. Вычисляем движущий момент на валу двигателя

M Р.Д. = M С.Д. М ИЗБ. Д.= 331 86 = 417 Н м

7. Определяем коэффициент перегрузки двигателя при пуске. Момент на валу

двигателя, соответствующий его номинальной мощности

7 . Контрольные вопросы для сдачи отчёта.

1. Что такое скольжение поля в электродвигателе?

2. Критическая и номинальная точки рабочих характеристик электродвигателей.

3. Что такое синхронная частота вращения электродвигателя, чем она отличается от номинальной?

4. Что называется относительной и фактической продолжительностью включения двигателя? Что показывает их отношения?

5. В чём разница между номинальным и пусковым моментами электродвигателя?

6. Коэффициент перегрузки при пуске электродвигателя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гоберман Л. А. Основы теории, расчёта и проектирования СДМ. -М.: Маш., 1988. 2. Проектирование механических передач: Учебное пособие. / С.А. Чернавский и др. - М.: Маш., 1976.

3. Руденко Н. Ф. и др. Курсовое проектирование грузоподъёмных машин. - М.: Маш., 1971.

Приложение 1. Асинхронные электродвигатели типа АО2

Приложение 2.

Задание

1. Составить кинематическую схему электропривода и дать описание назначения и принципа его работы. Описать механизм замыкания (фиксации) главного исполнительного элемента

Произвести кинематический расчет электропривода

Определить коэффициент полезного действия электропривода

Произвести прочностной расчет одного из элементов кинематической схемы

Составить схему управления автошлагбаума ПАШ-I

Определить дальность установки электропривода

Используемая литература

Исходные данные

1. Назначение и принцип работы переездного шлагбаума с двигателем переменного тока ПАШ-1

электропривод замыкание кинематический автошлагбаум

Переездной шлагбаум с двигателем переменного тока ПАШ-1 является составной частью комплекса устройств для ограждения железных дорог в местах их пересечения в одном уровне с автомобильными, пешеходными, а в некоторых случаях и городскими транспортными коммуникациями и предназначен для предупреждения въезда транспортных средств на железнодорожный путь.

Область применения ПАШ-1 - в системе устройств ограждения железнодорожных переездов на станциях, перегонах, подъездных путях железных дорог общего пользования и промышленного железнодорожного транспорта.

ПАШ-1 может выпускаться в трех вариантах исполнения по роду питания электродвигателей: вариант А - переменное трехфазное; вариант Б - переменное однофазное; вариант В-постоянным током.

При отсутствии питания ПАШ-1 работает только на опускание заградительного бруса (ЗБ). ПАШ-1 может работать от однофазной и трехфазной сети переменного тока.

Силовой механизм представляет собой электродвигатель и двухступенчатый редуктор. Первая ступень редуктора - червячный однозаходный самотормозящий механизм. Вторая ступень - цилиндрическая прямозубная передача со встроенной электромагнитной муфтой в зубчатом колесе.

Червячный редуктор предназначен для создания необходимой частоты вращения главного вала и запирания заградительного бруса в крайних положениях.

Кинематическая схема автошлагбаума типа ПАШ-1 показана на рисунке 1.

Принцип работы:

При вступлении поезда на участок приближения к переезду включается звонок и светофорная мигающая сигнализация.

По истечении времени, необходимого для освобождения переезда от транспорта, схемой управления отключается питание электромагнитной муфты, главный вал оттормаживается, и под действием несбалансированности ЗБ главный вал поворачивается, а ЗБ опускается в горизонтальное положение.

В аварийном режиме предусмотрена возможность опускания ЗБ вручную, при помощи курбельной рукоятки.

При отклонении ЗБ от вертикального положения на угол 10-15 о для гашения кинетической энергии ЗБ производится включение гидрогасителя.

Амортизационное устройство обеспечивает плавную остановку ЗБ без качков в конце перевода.

Для гашения кинетической энергии и демпфирования крайних положений ЗБ в шлагбауме предусмотрен гидрогаситель, механическая характеристика которого позволяет автоматически поддерживать равномерную скорость опускания заградительного бруса.

После проследования поезда за пределы переезда в четном или нечетном направлении, на электромагнитную муфту и электродвигатель подается электропитание, вращаясь электродвигатель поднимает ЗБ в вертикальное положение.

Вращение главного вала и отключение электропитания электродвигателя произойдет, когда ЗБ примет вертикальное положение, при этом электромагнитная муфта находится под током (напряжением) и удерживает ЗБ в этом положении.

В момент возвращения ЗБ в вертикальное положение при отключении электродвигателя, отключаются световые и звуковые сигналы.

2. Кинематический расчет электропривода

Выберем электродвигатель АИР 56В4Б переменного тока на напряжение 220В, мощностью 0,18 кВт, 1350 оборотов в минуту.

Определим количество оборотов главного вала за одну операцию:

оборотов

Определим частоту вращения главного вала:

об./сек.об/мин.

Определим передаточное число редуктора:

Автошлагбаум ПАШ-1 имеет двухступенчатый редуктор. Передаточное число червячного редуктора - 90.

Определим передаточное число цилиндрической прямозубной передачи:

Уточненное значение редуктора:

Определим фактическое время поднятия бруса:

с

3. Определение коэффициента полезного действия электропривода номинальной мощности и номинального тока электродвигателя

а) Определим мощность на главном валу:

Вт

б) Найдем дополнительные потери мощности электропривода. Эти потери составляют 2% от полезной мощности на главном валу:

DР доп =0,55 Вт

С учетом этих потерь Р 4 составит:

Р 4 =0,55+27,5=28 Вт

в) Определим потери мощности в редукторе:

Так как , где

КПД цилиндрическо-зубчатой передачи;

КПД червячной передачи;

n - количество пар редукторов.

Вт

Определим потери мощности в редукторе:

DР ред =Р 3 - Р 4 = 37,3 - 28 =9,3 Вт

г) Определим потери мощности в подшипниках (качения):

DР п = Р 2 - Р 3 = 41,9 - 37,3=4,6 Вт

Полезная мощность на валу электродвигателя:

Вт,

где h п - КПД подшипниковых опор

h п = h 6 пк =0,98 6 =0,89

h пк = 0,98 - КПД опор подшипников качения.

д) Определим мощность, потребляемую электродвигателем из сети:

Определим потери мощности в электродвигателе:

DР д = Р 1 - Р 2 = 63,5 - 41,9=21,6 Вт

Энергетическая диаграмма потребляемой мощности из сети Р 1 с учетом различных потерь представлена на рисунке 2.

е) Определим КПД электропривода и номинальный ток электродвигателя:

Мощность, потребляемая трехфазным электродвигателем переменного тока, работающим от однофазной сети:

Откуда номинальный ток электродвигателя:

А

4. Прочностной расчет элемента кинематической схемы

Определение размеров шпонки крепления бруса на элементе 9.

Для крепления бруса на элементе 9 применяется призматическая шпонка. Необходимо определить размеры шпонки при диаметре вала () 40 мм.

Призматические шпонки выполняют прямоугольного сечения с отношением высоты к ширине сечения 1:1. Призматические шпонки изготавливают из чистотянутой стали.

Ширину шпонки (b) выбирают равной .

Определим ширину шпонки:

мм

Зная ширину шпонки можно определить высоту шпонки по стандартным размерам сечений призматических шпонок.

Мм, следовательно, размер сечений шпонки 20х12 мм.

Определим напряжение среза шпонки на элементе 9.

кПа

При максимальном усилии поднятия бруса:

кПа

Так как, согласно допустимое напряжение на срез 40 МПа, то напряжение среза шпонки на элементе 9 при номинальном и максимальном моменте удовлетворяет норме.

5. Схема управления шлагбаумом ПАШ- I

Схема выполнена для открытого состояния переезда. Брус шлагбаума поднят, светофоры переездной сигнализации выключены.

Электромагнитная муфта каждого шлагбаума находится под током и обеспечивает сцепление бруса с редуктором. Электродвигатель шлагбаума М трехфазный, фаза С2-С5 изолирована, а фаза С3-С6 с последовательно включенными конденсаторами подключена параллельно фазе С1-С4. Блок-контакты БК обеспечивают отключение двигателя после подъема бруса шлагбаума.

В1, В2 - контакты автопереключателя, контролирующие соответственно опущенное и поднятое положение бруса шлагбаума.

Реле схемы имеют следующее назначение:

ВМ - обеспечивает выдержку времени на опускание бруса шлагбаума после включения красных мигающих огней на переездном светофоре (13 с);

ВЭМ - реле выключения электромагнитной муфты;

ОША, ОШБ - реле открытия (включения подъема бруса) шлагбаума;

ВЭД - реле выдержки времени 15-20 с для выключения двигателя при работе на фрикцию;

У1, У2, У3 - реле контроля поднятого состояния брусьев шлагбаумов;

ЗУ - реле контроля опущенного (закрытого положения) брусьев шлагбаумов;

ВДА, ВДБ - реле, контролирующие промежуточное положение брусьев шлагбаумов;

АО1, АО2, БО1, БО2 - огневые реле, контролирующие целостность нитей ламп переездных светофоров;

УБ1, УБ2 - реле повторители кнопки поддержания бруса шлагбаума;

ПВ1, ПВ2 - реле, включающие переездную сигнализацию.

С целью повышения надежности горения огней светофорной сигнализации лампы огней переездных светофоров получают питание от двух различных источников питания. Нормально, при отсутствии поездов, брус шлагбаума находится в поднятом состоянии. Реле ОША, ОШБ, ВЭД, ВДА, ВДБ и ЗУ находятся в обесточенном состоянии. Под током находятся реле У1, У2, У3, ВМ и ВЭМ, электромагнитная муфта.

При вступлении поезда на участок приближения, в соответствии с известными схемами типовых решений, обесточиваются реле ПВ1 и ПВ2 (извещение о приближении) и размыкают цепь питания реле У1 и У2, а последние цепь питания реле ВМ. Включаются реле М1 и М2, срабатывает реле КМК и огни переездных светофоров начинают сигнализировать в сторону автотранспорта красными мигающими огнями. Через некоторое время, необходимое для проследования ранее двигавшегося под шлагбаумом автотранспорта, отпускает якорь реле ВМ и выключает реле ВЭМ, а последнее размыкает цепь питания электромагнитной муфты. Брус шлагбаума начинает опускаться под действием собственного веса. После того как брус шлагбаума займет горизонтальное положение замкнуться контакты В1 автопереключателя и встает под ток реле ЗУ, сигнализирующее о закрытом положении шлагбаума. При вступлении поезда на участок приближения через тыловые контакты У1, У1, ПВ1, ПВ2 получит питание и притянет якорь реле ВЭД, параллельно которому подключен конденсатор большой емкости. Реле ВЭД подготовит цепь включения реле открытия шлагбаумов ОША и ОШБ.

После того как поезд проследует переезд и притянут якорь реле ПВ1 и ПВ2 замкнется цепь питания реле ВЭМ, ОША и ОШБ. Реле ВЭМ включит электромагнитную муфту, а реле ОША и ОШБ замкнут цепь питания электродвигателей привода брусьев автошлагбаумов и последние начнут подниматься в вертикальное положение. После того как оба бруса займут вертикальное положение (80 о -90 о), замкнутся контакты автопереключателей В2 и создадут цепь питания реле У1, У2 и их повторителей, а последние разомкнут питание реле ОША и ОШБ и схема перейдет в исходное состояние.

Если по какой-либо причине, например, при заклинивании один из брусьев шлагбаумов, например шлагбаума Б, остановится в среднем положении, то после того как брус шлагбаума А достигнет вертикального положения, притянет якорь реле ВДА и разомкнет цепь питания реле ОША, которое в свою очередь разомкнет цепь питания двигателя. Реле ОШБ будет оставаться под током и двигатель привода шлагбаума Б будет работать на фрикцию до тех пор пока не закончится разряд конденсатора К3, подключенного параллельно катушке реле ВЭД и последнее не отпустит свой якорь.

В случае выключения питания переменного тока брусья шлагбаумов останутся в поднятом положении до приближения к переезду первого поезда, после чего брусья опустятся автоматически, а подъем брусьев после проследования поезда будет осуществляться вручную. Выключение красных мигающих огней переездных светофоров осуществляется только после полного подъема брусьев обоих шлагбаумов контактами реле У1 и У2.

Схема управления шлагбаумом ПАШ-I показана на рисунке 3.

6. Определение дальности установки электропривода

Определить длину кабеля без дублирования жил:

м

где L - длина кабеля, без дублирования жил;

U n - напряжение источника питания;

U д - напряжения на зажимах двигателя;

r 1 - сопротивление медной жилы кабеля диаметром 1 мм.

Согласно , дублирование жил для управления двигателем до расстояния 100 м не требуется.

Рассчитаем емкость пускового конденсатора:

U ф - номинальное фазное напряжение;

f = 50 Гц - частота;

Коэффициент мощности.

Учитывая, что работа двигателя происходит под нагрузкой, необходимо увеличить рабочую емкость. Электродвигатель шлагбаума работает 10-12 с при мощности, превосходящей расчетную на 35%. Поэтому рабочую емкость следует увеличить на 50-70%. Тогда:

мкФ

Используемая литература

1. Задание на контрольную работу с методическими указаниями для студентов VI курса. Москва 2005 год.

Переездной шлагбаум ПАШ-I. Технология обслуживания, ремонта и проверки в условиях дистанций сигнализации и связи железных дорог. Москва 1998 год.

Методические указания по проектированию устройств автоматики, телемеханики и связи на ж.д. транспорте И-234-95 «Переездной шлагбаум с двигателем переменного тока». Санкт-Петербург 1995 год.