Разработка электрического привода

ВведениеЭлектрификация всех отраслей народного хозяйства приводит к облегчению труда рабочих, к уничтожению существенного различия между трудом умственным и физическим, к дальнейшему повышению благосостояния людей.Всякое развитое машинное устройство состоит из трёх существенно различных частей: машины – двигателя, передаточного механизма, куда могут выходить валы, шкивы, ремни, шестерни и т.п., заключается в том, сообщить движение исполнительному механизму.Следовательно, первая и вторая части Машиного устройства служат для приведения в движение рабочей машины. Поэтому их объединяют общим названием «привод».Сегодня электрический привод представляет собой электромеханическое устройство, предназначенное 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 систем управления, обеспечивающей оптимальное по тем или иным категориям управление технологическим процессом. Характеристики двигателя и возможности системы определяют производительность механизма, точность выполнения технологических операций, динамические нагрузки механического оборудования и ряд других факторов.Целью курсового проектирования по курсу «электрический привод» является закрепление разделов по расчёту мощности и выбору двигателей для повторно кратковременного режима работы, статических и динамических характеристик разомкнутых систем электроприводов, проверке выбранного электродвигателя по нагреву.Построение нагрузочной диаграммы.По заданным временным интервалам и существующих их значений мощностей строим нагрузочную диаграмму Р(t) (рис.1).Рис.1 Нагрузочная диаграмма электропривода.Здесь: ti – время интервалов работы электропривода под i – й нагрузкой; Pi – значения мощностей под i – й нагрузкой; tn – время паузы, т.е. холостого хода; tu – время одного рабочего цикла.Выбор электродвигателя.Рассчитаем эквивалентную мощность за цикл работы в кВт:107505529972000102743067310P12*t1+P22*t2+P32*t3+P42*t4+P52*t500P12*t1+P22*t2+P32*t3+P42*t4+P52*t5103187546990001165860313055 t1+t2+t3+t4+t500 t1+t2+t3+t4+t5298640551943000, P12*t1+P22*t2+P32*t3+P42*t4+P52*t5P12*t1+P22*t2+P32*t3+P42*t4+P52*t5 t1+t2+t3+t4+t5 t1+t2+t3+t4+t53458210114935=15,5 кВт00=15,5 кВт116586032385001062355285115001294130298450 20+15+10+30+4500 20+15+10+30+45102743052705152*20+102*15+7.52*10+202*30+152 *4500152*20+102*15+7.52*10+202*30+152 *45113030029845000=15,5 кВт=15,5 кВт 20+15+10+30+45 20+15+10+30+45152*20+102*15+7.52*10+202*30+152 *45152*20+102*15+7.52*10+202*30+152 *451167130260985t1+t2+t3+t4+t500t1+t2+t3+t4+t52653665260985 20+15+10+30+4500 20+15+10+30+45Далее определяем продолжительность включения, в%:t1+t2+t3+t4+t5t1+t2+t3+t4+t5 20+15+10+30+45 20+15+10+30+45403034520955*100 = 66,700*100 = 66,71031875222250 t1+t2+t3+t4+t5+t000 t1+t2+t3+t4+t5+t0108902522288500265366522161520+15+10+30+45+600020+15+10+30+45+60268859020828000ПВ%== *100 = 66,7*100 = 66,7 t1+t2+t3+t4+t5+t0 t1+t2+t3+t4+t5+t020+15+10+30+45+6020+15+10+30+45+60Так как, электродвигатели выпускаются на стандартные значения ПВ равные 15,25,40 и 60%, то нужно пересчитать эквивалентную мощность по формуле:Рэст== кВт По справочнику выбираем электродвигатель Д808, имеющий следующие основные характеристики:Номинальное напряжение: Uн=220 В;Номинальная мощность: Рн=22 кВт;Номинальный ток: Iн=108,07 А;Номинальная частота вращения: nном=630 об/мин;Сопротивление обмотки якоря и дополнительных полюсов, Rя+ Rдп – 0.054 Ом;Сопротивление обмоток возбуждения, Rв – 44,4 Ом.Расчёт и построение естественных характеристик.При построении естественных электромеханической ω=ƒ(I) и механической ω=ƒ(М) характеристик используются следующие выражения:ω=, (3.1)ω=, (3.2)где kФн – произведение конструктивного коэффициента двигателя постоянного тока независимого возбуждения и магнитного потока; I – ток якоря; M=I*kФн – электромагнитный момент, развиваемый двигателем; Rдв – внутреннее сопротивление двигателя.Значение kФн – определяем исходя из паспортных данных по выражению:kФн= (Uн-Iн*Rдв)/ ωн; (3.3)где ωн – номинальная угловая скорость вращения двигателя;ωн=2πnн/60=2*3.14*630/60=65,9 рад/с.Внутреннее сопротивление двигателя Rдв, приведённое к рабочей температуре определяем по уравнению:Rдв=(Rя+Rдп) , (3.4)Где Rя – сопротивление обмотки якоря; Rдп – сопротивление обмоток дополнительных полюсов; Rщ=ΔU/Iн – сопротивление щёточных контактов (ΔU – падение напряжения на щётках, принимаемое 2В); tр – рабочая температура, в нашем случае 70°С; tз – температура, при которой задаётся сопротивление.Определяем сопротивления:Rш=2/108,07=0.018 Ом;Rдв=0,054 =0.081 Ом.Таким образом искомое сопротивление:kФн==3,21Вследствие прямолинейности всех статических характеристик:ω0=Uн/kФн=220/3,21=68,5 рад/с (3.5)Мн=Iн*kФн=108,07*3,21=346,9 Н*м.С помощью полученных данных строим естественные электромеханическую ω=ƒ(I) и механическую ω=ƒ(М) характеристикиРис.2 Естественные характеристики электродвигателя ω=ƒ(I) и ω=ƒ(М).Далее необходимо построить вспомогательные кривые, соответствующие рабочим нагрузкам в интервале 0.7…1.3 от номинальной скорости вращения ωн. Значения моментов рассчитываем по формуле:М=Pi/ ω,где Pi – i-е значение мощности нагрузки. Данные вычислений сводим в таблицу: Таблица 1Р, кВтМ, Н·мω, рад/с1521470250603005037540500301014370167602005025040333307,51077012560150501884025030202867033360400505004066730152147025060300503754050030На основании этих данных строим кривые Pi на графике (Рис.2), точки пересечения которых с естественной механической характеристикой ω=ƒ(М)дают значения Mci. Аналогично, используя электромеханическую характеристику ω=ƒ(I) и значения ωci определяем Ici. Для удобства использования этих данных, заносим их в Табл.2 вместе с соответствующими величинами скоростей вращения ωc. Таблица 2.I12345Ωci66,767,367,666,066,7Mci225150108305225Ici70,146,733,695,070,1Расчёт сопротивлений пусковых резисторов.Для расчета сопротивлений пусковых резисторов воспользуемся аналитическим методом, как наиболее точным.При пуске выбираем две ступени пускового реостата (m=3), а пусковой момент Mi=2Mн.Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения и пускового реостата представлена на рис.3 Рис.3 Схема включения пускового реостата.Кратность момента переключения определяется по формуле:λ=, (4.1)где =Rdv/Rн – внутреннее сопротивление двигателя постоянного тока независимого возбуждения в относительных единицах (выбран равным 2).Таким образом:Rн=220/108,07=2,04 Ом;=0.081/2,04=0.04;λ==2,32.Рассчитаем момент переключения исходя из результатов.M2=Mi/ λ=2*346,9/2,32=299 Н*м. (4.2)Теперь определяем сопротивление ступеней пускового реостата Rпт и полные сопротивления якорной цепи на каждой ступени пуска Rт. При этом используем следующие выражения для первой ступени:Rn=Rdv λm-1(λ-1)=0.081*2,322(2,32-1)=0.575 Ом; (4.3)R1=Rdv λm=0.081*2,323=1,011 Ом. (4.4)Для второй ступени:Rn2=Rdv λ(λ-1)=0.081*2,32(2,32-1)=0.248 Ом; (4.5)R2=Rdv λm=0.081*2,322=0.436 Ом.И для третей ступени:Rn3=Rdv(λ-1)=0.081(2,32-1)=0,107 Ом; (4.6)R3=Rdv λm=0.081*2,32=0,188 Ом.Расчёт сопротивлений резисторов торможения.Торможение двигателя будем производить динамическим методом, т.е. замыканием обмотки якоря на добавочный резистор Rдт. Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения в режиме динамического торможения представлена на рис.4.9183276066200Рис.4 Схема включения в режиме динамического торможения.Сопротивление резистора торможения находим по формуле:Rдт=, (5.1)где Eмах – максимальное значение ЭДС двигателя; Iдоп – допустимое значение тока якоря, равное 2.5 Iн, т.е. Iдоп=2.5*108,07=270,2 А.максимальное значение ЭДС рассчитываем через максимально возможное значение скорости вращения двигателя, предшествующее динамическому торможению, т.е. ωmax=ωc5 равное 66,7 рад/с:Emax=kФн*ωmax=3,21*66,7=214,1 В.Следовательно, сопротивление резистора торможения:Rдт==0.711 Ом.Расчёт искусственных электромеханических и механических характеристик.В режиме динамического торможения расчёт характеристик производится по формулам:ω=, (6.1)ω=, (6.2)Для всех рассчитываемых режимов создаём таблицу (табл.3), куда заносим значения тока и момента кратные от 2 до номинального, а также под нагрузкой Pi(i=1). Далее рассчитываем величины скоростей первой ступени пуска ω1, второй ω2 и скорости ωm в режиме торможения.Результаты расчётов записываем в табл.3.На основании этих данных на рис.5 строим искусственные пусковые характеристики. Таблица 3.ПараметрЗначение тока и момента от номинального i=121.81.61.41.21I,А216,1194,5172,9151,3129,7108,170,1М, Н*м693,8624,4555,0485,7416,3346,9225,0ω1, рад/с17,622,727,832,938,043,052,0ω2, рад/с46,348,650,853,055,257,461,3ω3, рад/с55,857,158,459,660,962,264,4ω4, рад/с53,348,042,737,332,026,717,3881004510837Рис.5. Искусственные характеристики двигателя.Из пусковой диаграммы определяем значения угловых скоростей при переключениях ступеней пускового реостата:ω1=39 рад/с; ω2=56 рад/с; ω3=62 рад/с.Приращение скорости:-на первой ступени пускаΔ ω1=ω1-0=39 рад/с;На второй ступени пускаΔ ω2= ω2-ω1=56-39=17 рад/с;На третьей ступени пускаΔ ω3= ω3- ω2=62-56=6 рад/с.Далее вычисляем время разгона на каждой ступени пуска:tm=Jmax;(6.3)где Jmax – приведённые к валу двигателя момент инерции всего электропривода, равный 2Jдв (по условию задания).Так как в справочнике по двигателю приведён маховый момент GD2, имеющий зависимость от момента инерции:Определяем время разгона на первой ступени пуска:t1= =0.33с;на второй ступени пуска:t2==0.14 с;на третьей ступени пуска:t3==0.04 с.Теперь находим постоянные времени для каждой ступени пуска:Tm=Jmax:(6.5)Для первой ступениТ1=4 =0.39 с;Для второй ступениТ2=4=0.17с;Для третей ступениТ3=4 =0.07 с;Определим пусковые моменты для каждой ступени пуска:Mn1= ==698,5 Н*м; (6.6)Mn2= ==1619,7 Н*м;Mn3= ==3756,4 Н*м;Определим конечную скорость для каждой ступени пуска (скорость, которая была бы достигнута при t→∞, если бы не было переключения на следующую ступень):Для первой ступени: ωк1=ω0(1-=34,5 рад/с; (6.7)для второй ступени:ωк2=ω0(1-=53,8 рад/с;для третей ступени:ωк3=ω0(1-=62,2 рад/с;Закон изменения ω=ƒ(t) при пуске в общем виде:ω= ωкт-(ωкт-ωнт)*℮, (6.8)Первая ступени пуска:ω= ωкт-(ωкт-ωнт)*℮=34,5-(34,5-0)* ℮Вторая ступень пуска: ω= ωкт-(ωкт-ωнт)*℮=53,8-(53,8-34,5)* ℮третья ступень пуска:ω= ωкт-(ωкт-ωнт)*℮=62,2-(62,2-53,8)* ℮На основании данных вычислений строим кривую ω=ƒ(t) рис.5Аналогичным способом рассчитаем данные для построения зависимости М= ƒ(t) при разгоне двигателя с нагрузкой по формуле:М=М2+(М1-М2)* ℮ (6.9) Рис.6 Графики М= ƒ(t) и ω=ƒ(t) при пуске с нагрузкой.Постоянная времени при динамическом торможении без груза:Тд==0.31 с (6.10)Зависимость ω=ƒ(t) при динамическом торможении без груза:ω=ωном*℮=65,9*℮ (6.11)время торможения tm по графикам ω=ƒ(t) определяется как время снижения угловой скорости до величины 0.1ωном, т.е. при ωm=6,6 рад/с. Таким образом, определяем время торможения без груза: tm=0.7 с.Зависимость М= ƒ(t) при торможении без груза:М=2Мном*℮=2*346,9*℮ (6.12)Ввиду идентичности зависимостей = ƒ(t) и ω=ƒ(t) при динамическом торможении без груза двигателя постоянного тока независимого возбуждения, строим один график ω=ƒ(t) на рис.7Рис.7 График ω=ƒ(t) при динамическом торможении без груза.Проверка двигателя по нагреву.Проверка электродвигателя по нагреву производится методами эквивалентных тока, момента или мощности, в зависимости от того, какая из кривых I(t), M(t), P(t) известна. Так как зависимость I(t) уже рассчитана в ходе курсового момента, то будем использовать метод эквивалентного тока.Iэ=; (7.1)Iэ==59,4 А.В нашем случае условие Iэ≤Iн выполняется: 59,4<108,07 следовательно, выбранный электродвигатель по нагреву подходит.Расчёт расхода и потерь электроэнергии за цикл работы электропривода.Суммарный расход электроэнергии за цикл работы электропривода рассчитывается для всех режимов, т.е. пуска, установившихся и торможения:A=. (8.1)В общем виде расход электроэнергии, подводимой к электродвигателю постоянного тока рассчитывается по уравнению:А= (8.2)Но вследствие отличия выражения I(t) в различных режимах работы, формулы для расчёта расхода электроэнергии тоже будут различаться.Для режима пуска двигателя расход электроэнергии определяем по выражению:Ani=Uн; (8.3)Первая ступень Ani=220=8245,4 Вт*с;Вторая ступеньAni=220=5654,1 Вт*с;Третья ступеньAni=220=3215,4 Вт*с;При установившихся режимах работы, пренебрегая переходными процессами при набросе и сбросе нагрузкирасход электроэнергии:Ayi=UнIcityi,(8.4)где Ici – статический ток i-ой нагрузки, т.е. t1-t5 и tn;первый интервалAy1=220*70,1*20=308440 Вт*с;Второй интервалAy2=220*46,7*15=154110 Вт*с;Третий интервалAy3=220*33,6*10=73920 Вт*с;Четвёртый интервалAy4=220*95*30=627000 Вт*с;Пятый интервалAy5=220*70,1*45=693990 Вт*с;В режиме динамического торможения двигатель отключается от питания, следовательно, Am=0.Таким образом, суммарный расход электроэнергии за цикл работы электропривода по выражению (8.1):A=17114,9+1857460=1874574,9 Вт*с,или А≈1874,6 кВт*с.Полные потери электроэнергии за цикл работы электропривода определяем для всех режимов, а также для обмотки возбуждения:ΔА= ΔАn2+.(8.5)Потери электроэнергии в цепи якоря во время пуска под нагрузкой находим по формуле:ΔАn2=I(ω0ωc-)+McFn, (8.6)где Fn=ω0tn-, - определяем графически по кривой ω=ƒ(t). Для этого вычисляем площадь (рис.6) ограниченную осью скорости, прямой; соответствующей ω=ωс; прямой, равной времени пуска tn и кривой ω=ƒ(t). В результате получаем Fn=13. Следовательно, потери электроэнергии в цепи якоря во время пуска:ΔАn2=4(68,5*62-)+225*13=12225 Дж.В установившемся режиме потери электроэнергии рассчитываются для каждого интервала работы следующим образом:ΔАyi=Mcityi(ω0-ωci).Первый интервал:ΔАy1=Mc1(ty1-tn)(ω0-ωc1)=225*(20-0.51)(68,5-66,7)=8770,5 Дж;Второй интервалΔАy2=Mc2(ty2-tn)(ω0-ωc2)= 150*(15-0.51)(68,5-67,3)=3042,9 Дж;Третий интервалΔАy3=Mc3(ty3-tn)(ω0-ωc3)=108* (10-0.51)(68,5-67,6)=1127,4 Дж;Четвёртый интервалΔАy4=Mc4(ty4-tn)(ω0-ωc4)=305* (30-0.51)(68,5-66)=24285 Дж;Пятый интервалΔАy5=Mc5(ty5-tn)(ω0-ωc5)=225*(45-0.51)(68,5-66,7)=20020,5 Дж;Значит, общие потери электроэнергии в цепи якоря в установившихся режимах:57246,3 Дж.При динамическом торможении двигателя в холостую потери энергии в якорной цепи:ΔАt2=Jmax ω0/2=4*68,5/2=137Дж. (8.8)Далее определим потери электроэнергии в цепи возбуждения двигателя постоянного тока:ΔАв==3,932*44,4*180=123435,6 Дж (8.9)Таким образом, полные потери электроэнергии за цикл работы электропривода:ΔА=180819 Дж.Или ΔА≈180 кДж.Разработка принципиальной схемы управления электропривода.На рис.8 приведена схема управления двигателем независимого возбуждения, предусматривающая возможность трёхступенчатого пуска и динамического торможения двигателя.Автоматизация процесса пуска осуществляется в функции времени. Для осуществления автоматического пуска в 3 ступени предусмотрим в составе основного оборудования схемы пусковые резисторы R1, R2, R3 реле времени РУ1, РУ2, РУ3, контакторы ускорения КУ1, КУ2, КУ3. для коммутации резисторов (при переходе с одной пусковой характеристики на другую) параллельно им устанавливаем замыкающие контакты контакторов ускорения КУ1, КУ2, КУ3.Для осуществления динамического торможения в функции угловой скорости (ЭДС) предусмотрим резистор R4 тормозное реле РДТ, обмотка которого подключена на якорь двигателя. Так же устанавливаем контактор КДТ для подключения тормозного резистора.123467217717800Рис.8 Принципиальная схема управления электроприводом.Функцию минимальной защиты осуществляет включаемое в схему реле напряжения РН. В случае снижения напряжения сети ниже допустимого уровня (0.8-0.85Uном) исчезает напряжение реле РН, оно отпадает и своим замыкающим контактом отключает схему управления, что приводит к отключению силовой схемы от сети. В цепи якоря устанавливаем катушки реле РМ1 и РМ2 для максимальной токовой защиты. Размыкающие контакты при срабатывании этих реле обесточивают реле РН, и далее всю схему.Для контроля за наличием или снижением тока в цепи обмотки возбуждения ОВ ниже допустимого уровня последовательно ОВ включаем катушку реле нулевого тока (обрыва поля) РОП. Её замыкающий контакт также включён в цепь реле РН. Для защиты обмотки возбуждения двигателя от перенапряжений, возникающих при её отключении, применяется разрядный резистор R5 и диод VD1, которые подключаются параллельно обмотке.Для осуществления коммутации применяется автоматический выключатель В1 для силовой цепи, тумблер В2 для схемы управления и предохранители Пр.1 и Пр.2 для её защиты.Описание работы схемы управления электропривода.Перед пуском двигателя включается выключатель В1 и тумблер В2, питание подаётся на обмотку возбуждения ОВ и реле обрыва поля РОП, который замыкает свой контакт в цепи реле напряжения РН. Реле РН своим замыкающим контактом подготавливает цепь управления к работе.При нажатии КНП включается линейный контактор КЛ, при этом замыкаются его главные (силовые) контакты в цепи якоря двигателя, замыкается блок – контакт, параллельный пусковой кнопке. Так же подготавливается к включению цепь контакторов ускорения КУ1, КУ2 и размыкается контакт в цепи реле времени РУ1, начинается отсчёт уставки РУ1. одновременно с этим от броска пускового тока включаются реле времени РУ2 и РУ3, которые мгновенно размыкают свои контакты в цепях контакторов КУ2 и КУ3.Таким образом, происходит подключение двигателя к шинам питания и идёт разгон двигателя по первой искусственной характеристике.В момент времени t=tустРУ1, включается КУ1, силовой контакт которого шунтирует первую ступень пускового реостата и реле времени РУ2. двигатель переходит на искусственную характеристику 2 и начинается отсчёт уставки реле РУ2.По истечении времени уставки РУ2 включается КУ2, контакт которого блокирует вторую ступень пускового реостата и реле времени РУ3 (двигатель переходит на искусственную характеристику 3); начинается отсчёт уставки реле РУ3.Когда проходит время работы всех трёх уставок, включается контактор КУ3, шунтируется третья ступень, разгон по которой продолжается до точки, соответствующей моменту Мст. Далее начинается рабочий цикл с нагрузкой.При нажатии на КнС отключается КЛ, двигатель отключается от питающей сети. Размыкающий контакт КЛ включает реле РДТ, а он в свою очередь включает контактор КДТ, силовой контакт которого шунтирует якорь двигателя резистором Rт. Ток двигателя меняет направление и начинается динамическое торможение. Процесс торможения длится до минимальной угловой скорости, примерно 10-20%, при которой реле РДТ отключается. Далее двигатель снижает скорость со статическим моментом и останавливается.ЗаключениеВ данной курсовой работе был спроектирован электропривод с двигателем постоянного тока независимого возбуждения. Проектирование было разбито на несколько этапов.На первом этапе строится нагрузочная диаграмма, рассчитывается эквивалентная мощность и по полученным данным выбирается двигатель.Далее, согласно заданным параметрам, производится расчёт пусковых и тормозных резисторов.На следующем этапе, исходя из паспортных данных двигателя, рассчитываем и строим естественную и реостатную скоростные и механические характеристики во всех режимах работы электропривода.Проверка по нагреву осуществляется сравнением эквивалентного тока за цикл с номинальным током двигателя. Выбранный двигатель подходит по нагреву.Затем были произведены расчёты расхода и потерь электроэнергии за цикл работы электропривода.На заключительном этапе разрабатывалась разомкнутая релейно-контактная принципиальная схема управления электроприводом и дано описание её работы.Список используемой литературы.1. Кирюха В.В. Основы судового электропривода: методические указания по курсовому проектированию. – Владивосток, Дальрыбвтуз, 2009, -24с.2. Справочник судового электротехника Т.2 Судовое электрооборудование. Под ред. Китаетко Г.И. – Судостроение, 1980.3. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. – М.Л. 1963.4. Ключев В.И. Теория электропривода: для студентов вузов, 1963.5. Москаденко В.В. Электрический привод: учебник. – М.: Академия, 2007.6. Чекунов К.А. Теория судового электропривода. – М.: Энергоатомиздат, 1981.7. Чиликин М.Г. Сандлер А.С. Общий курс электропривода. – Л: Судостроение, 1982.