Проектирование электропивода

 

Содержание

 

Введение

В техническом преобразовании отраслей народного хозяйства ведущая роль принадлежит электрическим средствам автоматизации и механизации производственных процессов. Важнейшим средством электрификации, механизации и автоматизации, основой увеличения производительности машинного оборудования и масштабов производства является современный электропривод, на долю которого приходится до 60% общего потребления электроэнергии в стране.

Широкое распространение  двигателей постоянного тока несмотря на их более высокую стоимость  и сложность эксплуатации по сравнению с асинхронными двигателями объясняется в первую очередь простыми и надежными способами регулирования частоты вращения, большими пусковыми моментами и перегрузочной способностью, чем у двигателей переменного тока. Наибольшее распространение двигатели постоянного тока получили в приводах, требующих глубокого регулирования частоты вращения (металлургическая промышленность, транспорт и т.п.).

Объектом исследования в данной курсовой работе является механизм перемещения тележки и двигатель постоянного тока типа 2ПН160L, являющийся электромеханическим преобразователем, предназначенным для работы в широкорегулируемых электроприводах общепромышленного назначения, а также других агрегатов.

Предметом исследования являются динамические и статические  характеристики электропривода.

 

Целями данного курсового  проекта являются

1) закрепление, расширение и углубление знаний в области принципов действия, способов построения, методов расчета и анализа систем электроприводов;

2) развитие навыков применения теоретических знаний для решения инженерных и научных задач;

3) развитие практических навыков по расчету систем электроприводов, умения пользоваться технической справочной литературой, ГОСТами и ЕСКД.

 

1. Проведение обзора литературы по современным электроприводам заданного механизма. Определение задач и функций, решаемых электроприводом

На рис.1. изображена кинематическая схема механизма перемещения тележки, включающая двигатель постоянного тока (главная часть любого электропривода, обеспечивающая преобразование электрической энергии в механическую), редуктор (для согласования движений вала электродвигателя и исполнительного органа, т.е. изменения параметров механической энергии вала двигателя) и рабочий орган, совершаемый требуемое механическое движение. Редуктор в свою очередь состоит из зубчатых передач и барабана, вращение которого заставляет двигаться исполнительный орган. Вал двигателя, редуктор и рабочий орган образуют механическую часть электропривода.

Рис. 1. Кинематическая схема механизма перемещения тележки

 

 

 

Данный привод используется в механизме загрузочного устройства. Сам механизм может применяться для загрузки металлоплавильных печей.

Исполнительный орган привода обеспечивает не только загрузку печи, он может служить и в качестве крышки печи, которая уменьшает потери тепла и защищает окружающее оборудование от перегрева. Большинство печей в момент слива металла наклоняются на бок, поэтому крышку нужно будет приподнять над печью.

Для плавки чугуна широко используются индукционные печи. В индукционных печах открытого типа магнитный поток замыкается по воздуху. Печи открытой конструкции обычно бывают малой мощности и не используются для плавки чугуна, а иногда, используются для плавки высококачественной стали и цветных металлов. Индукционные печи закрытого типа имеют больший КПД и большую мощность.

Для выплавки стали, из металлического лома, могут применяться  дуговые сталеплавильные печи. Но этот процесс весьма энергоемок: на 1 тонну стали расходуется 500-1000 электроэнергии. Современные дуговые печи большой и средней мощности оснащены верхней загрузкой. При сливе такие печи наклоняются на бок с помощью гидропривода.

Кроме загрузки печей данный электропривод может использоваться для подъема и отпускания различных грузов.

Для управления приводом загрузочного устройства необходимо знать график нагрузки на валу двигателя (определяет режим работы), организовать пуск, реверс и торможение двигателя при заданных переходных параметрах, организовать защиту двигателя и аппаратуры управления от перегрузок. Кроме того, при проектировании привода нужно произвести проверку двигателя на допустимый перегрев (чтобы не было преждевременного старения изоляционных материалов).

Для управления приводом необходимо:

1) знать график нагрузки на валу двигателя для определения его режима работы;

2) организовать пуск, реверс и торможение двигателя при заданных переходных параметрах;

3) обеспечить защиту двигателя и аппаратуры управления от перегрузок.

Кроме того, при проектировании привода нужно произвести проверку двигателя на допустимый нагрев во избежание преждевременного старения изоляционных материалов.

 

2. Расчет и построение графика статической нагрузки на валу двигателя и выходном валу механизма. Определение приведенного момента инерции механизма

2.1. Определение статической  нагрузки на валу двигателя

В соответствии с данными  табл. 1 [7, стр. 416] построим в масштабе график статической нагрузки на валу двигателя 2ПН132L (рис. 3).

 

Таблица 1. Основные данные двигателя 2ПН132L и его режима работы

Вариант	Тип двигателя	РН, кВт	nН, об/мин	М1/МН	М2/МН	М3/МН	М4/МН	М5/МН	t1, c	t2, c	t3, c	t4, c	t5, c	t6, c	t7, c	t8, c
5	2ПН132L	1,9	750	0,9	0,6	0,8	1,2	0,6	100	20	100	100	20	100	40	20

Продолжение табл. 1

U, В	nmax, об/мин		Rя, Ом	Rд, Ом	Rв, Ом		J	Q
220	2500	72	1,28	1,0	138	28,3	0,048	105

 

В таблице приняты  следующие обозначения:

P_н – номинальная мощность двигателя, кВт;

n_н – номинальная скорость вращения двигателя, об / мин;

n_max – максимальная скорость вращения, об/мин;

 – коэффициент полезного действия, %;

U – номинальное напряжение, В;

R_я –  сопротивление обмотки якоря при ;

R_д – сопротивление обмотки добавочных якоря при ;

R_в – сопротивление обмотки возбуждения ;

 –  индуктивность цепи якоря ;

J    –  момент инерции ротора, ;

Q  –  масса двигателя, кг.

 

Определим угловую скорость вращения вала двигателя по формуле

            (2.1)

.

Как известно, номинальный  момент на валу М_ном равен

                          (2.2)

.

Определим абсолютные значения действующих моментов М_с1, М_с2, М_с3, М_с4, М_с5 по формуле

           (2.3),

 

 

 

где k_i – относительная величина i-го момента (табл. 1).

Имеем

Рис. 2. График статической нагрузки M(t) на валу двигателя2ПН132L

2.2. Определение статической  нагрузки на выходном валу  механизма

Элементы механической части привода механически связаны  друг с другом и образуют единую кинематическую цепь от двигателя к исполнительному органу. Каждый элемент имеет свою скорость движения и характеризуется моментом инерции или массой, а также совокупностью действующих на него моментов и сил. Движение любого элемента в нашем случае описывается вторым законом Ньютона для вращательного движения с учетом взаимодействия этого элемента с остальной частью кинематической цепи. Данное взаимодействие удобно рассматривать путем приведения моментов и усилий, а также моментов инерции и масс. В результате выполнения этой операции приведения реальная кинематиче ская схема заменяется расчетной энергетически эквивалентной схемой, основу которой со-

 

 

ставляет тот элемент, движение которого рассматривается.

Приведем элементы кинематической схемы механизма подъемного устройства к валу электродвигателя (рис. 3), что позволит наиболее полно исследовать характер движения привода и режим его работы, точнее формировать законы движения.

Рис. 3. Приведенная расчетная схема механической части электропривода загрузочного устройства

Нагрузка электропривода определяется не только действием силы тяжести поднимаемого груза, но и трением движущихся частей, которое учитывается введением КПД редукторов и барабана с лебедкой.

Приведение момента  нагрузки осуществим исходя из равенства  механической мощности нагрузки двигателя в реальной (рис. 1) и эквивалентной (рис. 3) схемах.

Формула для определения  приведенного момента имеет вид

           (2.4),

где i_j – передаточное число j-го механического звена; η_j – КПД j-го механического звена; z₁ и z₂ – соответственно число зубьев быстроходного и тихоходного колес цилиндрического редуктора; М_н – значение момента на валу двигателя, .

Для определения величины нагрузки F формулу (2.4) помножим на коэффициент 2/D_б, где D_б – диаметр барабана, м.

Расчет производим в MathCAD

 

Рис. 4. График статической нагрузки F(t) на валу механизма

2.3. Определение приведенного  момента инерции механизма

Приведение моментов инерции и масс элементов осуществим исходя из равенства запаса кинетической энергии в реальной (рис. 1) и эквивалентной (рис. 3) схемах, записанное в виде

    (2.5),

где J – приведенный момент инерции, кг·м²; J_дв – момент инерции двигателя, кг·м²; J_б – момент инерции барабана, кг·м²; ω_б – угловая скорость вращения барабана, рад/с; m_гр – масса груза, кг; υ_гр – скорость движения груза, м/с.

С учетом следующих соотношений

    (2.6),

 

 

 

где i_об – передаточное число всех шестерней, определяемое как

,

запишем (2.5) в виде

Разделив на ω²/2, имеем

      (2.7)

Масса груза, создающего момент сопротивления, определяется по формуле

       (2.8),

где F_ср – величина средней силы тяжести груза, Н; g = 9,81 м/с² – ускорение силы тяжести.

Среднюю силу тяжести  найдем как среднее значение функции F(t)

         (2.9)

Имеем

Единственным неизвестным  слагаемым в (2.7) остается момент инерции  барабана J_б, который определим как момент инерции однородного цилиндра с толщиной стенки δ, вращающегося вокруг своей главной оси (рис. 6).

 (2.10),

где m_б – масса барабана, кг; R₁ и R₂ – внутренний и внешний радиусы цилиндра, м.

Рис. 5. Барабан подъемного механизма

 

 

Масса барабана

 (2.11),

где ρ – плотность материала барабана, кг / м³; L_б – длина барабана, м.

Выбираем в качестве материала барабана серый чугун не ниже марки СЧ 15-32 по ГОСТу 1412-54 с плотностью ρ = 7500 (кг / м³).

Диаметр барабана D_б связан с диаметром огибаемого каната d_к

    (2.12),

где е – коэффициент, зависящий от типа подъемного устройства и режима его работы.

Для машинного привода  лебедки подъемного механизма е = 20 [6, стр. 220 – 222] и из (2.12) можно найти диаметр каната

Определим шаг винтовой нарезки барабана

     (2.13).

Имеем

Полезная длина каната

     (2.14),

где H – номинальная высота подъема, м; a – кратность полиспаста.

Число рабочих витков каната на барабане

         (2.15)