Расчет элементов силового канала электропривода грузоподъемной лебедки

Министерство образования и науки Российской федерации

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный индустриальный университет»

(ФГБОУ ВПО «МГИУ»)

 

Кафедра автоматики, информатики и систем управления

________________________________________________________________

 

 

 

К У Р С О В А Я    Р А Б О Т А
по дисциплине «Автоматизированный электропривод»                                                       _________________________________________________________________
на тему «Расчет элементов силового канала электропривода     грузоподъемной лебедки»
Группа	10331
Студент	(подпись)	П. В. Петров
Руководитель работы,  должность, звание	(подпись)	К. Б. Арыбин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МОСКВА 2013 
Оглавление

 

 

Постановка задачи

 

Расчет и использование ЭП подъемного механизма. В качестве ЭП применить ДПТ с независимым возбуждением. При разработке ЭП в соответствии с заданием:.

1. Выбрать мощность двигателя.
2. Определить по каталожным параметрам выбранного двигателя необходимые расчетные коэффициенты.
3. Выбрать элемент управляющей части, обеспечивающий реверсивное регулирование скорости ДПТ.
4. Составить структурную схему двигателя и определить его передаточные функции.
5. Смоделировать ЭП с настройкой на требуемые показатели качества.

 

Введение

 

Электропривод является основной структурной составляющей большинства производственных установок, рабочих машин и механизмов, подъемно-транспортных средств и систем автоматизации. В настоящее время электропривод составляет 70-80 % от общего числа приводов, применяемых на практике как в промышленности, так и в бытовой технике. Широкое применение электропривода обусловлено:

1. Доступность источника энергии – промышленная и бытовая сеть, батареи, аккумуляторы.
2. Высокие энергетические и экономические показатели.
3. Применение во всех отраслях народного хозяйства.
4. Наличие технического обеспечения для создания электроприводов с высоким качеством работы.

Электропривод предназначен для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию движения и управления этим движением. Он представляет собой электромеханическую систему, состоящую из преобразовательных, двигательных, передаточных, информационных и управляющих устройств.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рисунке показана связь указанных устройств в общей структуре электропривода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Структурная схема ЭП

 

Обозначения:

СП – силовой преобразователь;

Источник ЭЭ – источник электроэнергии;

ЭЧД – электрическая часть двигателя;

МЧД – механическая часть двигателя;

МС – момент нагрузки (статический момент);

МПУ – механическое передаточное устройство;

UЗ – напряжение задатчика (задает требуемое значение регулируемого параметра);

UОС – напряжение обратной связи.

В качестве электрического преобразовательного устройства применяются полупроводниковые силовые преобразователи (тиристорные, транзисторные, ШИП) и электромашины, представляющие собой генератор постоянного тока.

В качестве электродвигателя применяются электродвигатели переменного и постоянного тока (синхронные, асинхронные, шаговые, вентильные и двигатели специального назначения).

В качестве механического передаточного устройства применяются редукторы, шарико-винтовые пары, соединения “винт-гайка”, червячные и ременные передачи.

В качестве исполнительного органа используют преобразователи механической энергии в энергию производства (у станка таким преобразователем является суппорт, у промышленного робота – схват манипулятора).

Пунктиром на рисунке показаны сигналы обратных связей. Эти сигналы являются информацией для формирования управляющего воздействия на систему либо аппаратным, либо программным способом.

Основой для расчета электропривода служит метод подчиненного регулирования. Этот метод основывается на аналитическом методе коэффициентов.

Рис.2. Принципиальная схема электропривода, выполненного по методу подчиненного регулирования

 

Из схемы следует, что ДПТ питается от тиристорного преобразователя и регулируется по цепи якоря. В замкнутой схеме контура тока предусмотрен ПИ-регулятор, настройка которого осуществляется RC – цепочкой. Сигнал обратной связи по току снимается с сопротивления шунта R, включенного в цепь якоря двигателя. Этот сигнал усиливается предварительным усилителем тока УТ.

Обратная связь по скорости реализуется с помощью тахогенератора G, напряжение с которого подается на вход П-регулятора замкнутого контура скорости.

Согласно схеме электропривода (рис.1):

• контур тока состоит из объекта регулирования (цепь якоря ДПТ и силовой преобразователь) и регулятор тока,
• контур скорости состоит из объекта (замкнутый контур тока и звено, представляющее собой кинематическую цепь электропривода) и регулятора скорости.

В данной курсовой работе разрабатывается и исследуется электропривод на базе двигателя постоянного тока (ДПТ) с независимым возбуждением. Такой привод обладает простотой управления, надежностью, удобством эксплуатации, экологической безопасностью и линейной характеристикой.

В таком электроприводе регулированию подлежат:

• скорость;
• ток или момент на валу;
• перемещение.

Используют два способа управления электропривода с двигателем постоянного тока:

1. Изменение напряжения якоря.
2. Изменение тока обмотки возбуждения.

Все большое применение получает смешанное регулирование – использование этих двух способов одновременно.

 

Рис.3. Структурная схема лебедки

Здесь:

Uз – напряжение задатчика;

УП – усилитель-преобразователь - преобразует переменное напряжение сети в регулируемое постоянное напряжение в цепи якоря;

Д – двигатель;

ТГ – тахогенератор;

Р – редуктор;

Б – барабан.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные данные

 

Масса –

Значения максимальной скорости подъёма груза –

Значения ускорения

Высота подъёма груза –

Диаметр барабана лебёдки –

Частота вращения ротора –

КПД механической передачи –

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор двигателя

 

Найдём частоту вращения вала двигателя: ,

Определяем частоту вращения барабана: ,

Передаточное отношение редуктора: ,

Приведём значение эквивалентного момента на валу барабана: ,

Приведём момент на валу барабана к валу двигателя:

,

Определяем расчётную мощность двигателя: ,

Выбираем двигатель по мощности и по частоте вращения, подбирая мощность выше расчётной на 10 % т.е. 1.1 Р для последующей проверки на перегрузку:

,

 

На основании данных о мощности и частоте вращения выбираем двигатель по каталогу.

Двигатель  2ПО200L

 –  номинальная мощность.

 – номинальное напряжение (напряжение сети).

 –  номинальная частота вращения.

 –  максимальная частота вращения.

 –  КПД двигателя.

 – индуктивность якоря.

 – сопротивления якоря.

 –  момент инерции двигателя.

 

 

 

Вычисляем недостающие параметры и рассчитываем коэффициенты:

 

Номинальный ток: → ,

Угловая скорость вращения ЭД: ,

Номинальный момент: → ,

→ ,

 

 

Электрическая характеристика двигателя имеет вид:

→ ,

Проводим проверку выбранного двигателя на перегрузку.

 

где – угловое ускорение груза.

,

,

Найдём момент инерции груза из равенства кинетической энергии груза и кинетической энергии вращающегося вала двигателя через редуктор:

, учитывая, что , то , а т.к. , получаем:

,

Пренебрегая моментами инерций шестерней редуктора и барабана, получим:

Неравенство выполняется, следовательно, двигатель выбран правильно.

 

Выбор силового трансформатора

Силовой трансформатор в электроприводе предназначен для согласования напряжения сети с напряжением двигателя. Поскольку они получили широкое распространение, методика их расчета табулирована и имеется в любом электротехническом справочнике. В сокращенном изложении эта методика приводится ниже. Выбор трансформатора производится с учетом схемы тиристорного преобразователя, а также напряжения и тока двигателя. Вначале определяется фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора по формуле:

U2ф=kpkиkckaE0

где kр=1.01 - коэффициент запаса, учитывающий падение напряжения в обмотке трансформатора и на тиристоре;

kи=0.92- коэффициент отношения напряжения на фазной

обмотке к выходному напряжению преобразователя;

kс= 1.1 - коэффициент, определяющий запас по напряжению;

kа= 1.1 - коэффициент, учитывающий не полное отпирание тиристров;

Ed0 - максимальная величина постоянного напряжения ( Ud ≈ Ed0cosα на выходе тиристорного преобразователя.

Определим действительное значение тока во вторичной обмотке трансформатора по формуле:

I2ф = кi кв Ia

где кi =1,05 ...1.1 - коэффициент, учитывающий отклонение формы тока от прямоугольной;

кв = 0,6 - коэффициент схемы, учитывающий вариант выпрямителя;

Iа = Iном - максимальное значение выпрямленного тока при α = 0.

Определим полную мощность силового трансформатора по формуле:

Ртр= ks kc ka ki Ed0 Ia

где ks= 1,45 - коэффициент надежности.

Определим теперь установленную мощность силового трансфоматора

Руст = Рном = 2Ртр

и по значению этой мощности в каталоге выбираем трансформатор. Так, для установленной мощности Руст = 32 кВт по каталогу выбираем трансформатор марки

ТМГ-40/10-У1(ХЛ1) со следующими параметрами;

Номинальная мощность Р=40 кВт

Напряжение первичное U1=10 кВ

Напряжение вторичное  U2= 0,4кВ

Ток холостого хода  Ixx= 3.2% Iном ,А

Напряжение короткого замыкания  Uкз=4%Uном B

Мощность потерь холостого хода Рхх= 200 Вт

Мощность потерь короткого замыкания... . Ркз=990Вт

Для завершения расчета трансформатора надо определить линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора

Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора Номинальный ток во вторичной обмотке трансформатора

Номинальный ток в первичной обмотке трансформатора

Активное сопротивление трансформатора, приведенное к вторичной обмотке

где     - коэффициент трансформации.

Индуктивное сопротивление трансформатора

Максимальное значение выпрямленного напряжения (а = 0):

= 219В

Напряжение преобразователя при минимальном значении угла регулирования (amin = 20°):

= 205,79В

Напряжение преобразователя при номинальной нагрузке:

= 184.2В

Напряжение преобразователя при падении напряжения сети на 5%:

= 195.5В

 трансформатор удовлетворяет требованиям.

 

 

 

 

 

 

Запуск двигателя

 

Запуск ЭД осуществляется нажатием кнопки SB1, при котором срабатывает контакт и на замыкании шунтирует кнопку SB1. Контактом подключается якорь к сети, ток короткого замыкания в этот момент будет равен , так как мало, то допустить такой ток нельзя, поэтому для его уменьшения включаются в цепь якоря сопротивления и .

, .

 

 

Рис.4. Схема управления запуском ДПТ

 

По мере роста скорости, ток якоря уменьшается. В точке момент на валу двигателя равен моменту нагрузки, и, следовательно, вал ЭД будет вращаться с , что недопустимо. Введем ток переключения . При достижении значения , срабатывает токовое реле и своим контактом на замыкание шунтирует сопротивление и двигатель переходит на искусственную характеристику . В точке срабатывает токовое реле и контакт шунтирует . Контакт до пуска двигателя замкнут и является контактом контактора .