Расчёт электрического привода рабочего механизма

 

Содержание

 

Исходные данные на проектирование……………………………………….......3

1.  Предварительный расчет мощности и выбор приводного ЭД ……...……...4

2.Проверка выбранного двигателя по тепловому режиму и перегрузочной способности …………………………………………………………………….…5

3.  Разработка принципиальной электрической схемы управления ЭД……….8

4.Расчет и построение естественной и искусственных, пусковых и тормозных механических характеристик ЭД, временной пусковой диаграммы привода………………………………………………………………………..….11

5.  Расчет параметров и выбор аппаратуры управления защиты…….…..…...14

5.1.  Выбор контакторов…………………………………………………………14

5.2.  Реле………………………………………………………………………….15

5.3.  Выбор резисторов…………………………………………………………..16

5.4.  Автоматические выключатели и предохранители……………………….16

Список используемой литературы……………………………………………...18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные данные на проектирование

 

Задание.Рассчитать и спроектировать электрический привод рабочего механизма по его нагрузочной диаграмме и режиму работы. Программа задания:

1. Предварительный расчет мощности и выбор приводного электродвигателя.
2. Проверка выбранного электродвигателя по тепловому режиму и перегрузочной способности.
3. Разработка принципиальной электрической схемы управления электроприводом.
4. Расчет и построение естественной и искусственных, пусковых и тормозных механических характеристик электродвигателя, временной пусковой диаграммы привода.
5. Расчет параметров и выбор аппаратуры управления, защиты и сигнализации.
6. Расчет и выбор кабеля для питания электропривода.

 

Вариант№7

Момент сопротивления на валу приводного механизма Mj,Нм		Время работы механизма tj,с
М1	80	t1	70
М2	180	t2	100
М3	70	t3	120
М4	100	t4	210
М5	50	t5	75

 

Ѡм = 117,75 рад/с–частота вращения вала механизма;

Jм = 0,45кгм2– момент инерции механизма;

Тип ЭД –двигатель постоянного тока (ПТ);

Режим работы – продолжительный;

toc=50°С – расчетное значение температуры окружающей среды для выбора кабеля;

lk = 54м – длина кабеля для питания ЭД;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Предварительный расчет  мощности и выбор приводного ЭД

 

• Построим в масштабе нагрузочную диаграмму привода и определим среднее арифметическое значение момента сопротивления на входном валу механизма, Рис. 1.

 

Рисунок 1 – Нагрузочная диаграмма привода

 

 

• По среднему значению момента сопротивления и частоте вращения рассчитать мощность приводного двигателя

 

где = 1,1÷1,3 - коэффициент запаса по мощности;

= 0.96÷0.98 - механический КПД передачи (редуктора)

 

Подбор приводного ЭД производится по справочнику [4]. С учетом продолжительного режима работы и расчетной мощности выбираем двигатель постоянного тока продолжительного режима работы со следующими параметрами:

Тип	Мощность, кВт	Ток, А	КПД, %	Частота, об/мин
П51М	14,5	77	85	3000

 

 

GD2=0,313 кгм2

Rяо=0,1 Ом – сопротивление якорной обмотки;

Rдп=0,035Ом – сопротивлениедополнительных полюсов;

Rсо=0,004 Ом – сопротивлениепоследовательной обмотки;

Rшо=168 Ом – сопротивлениепараллельной обмотки;

 

Передаточное отношение редуктора:

(из таблицы)

 

2. Проверка выбранного  двигателя по тепловому режиму  и перегрузочной способности

Проверку выбранного электродвигателя по тепловому режиму проводим методом средних потерь.

• Пересчитываем моменты сопротивления на выходном валу механизма к валу ЭД:

MCj=Mj/(i*),

где Mj-значение j-oгo момента на валу механизма, соответствующего времени нагрузки tj;

Мс1 = 80/(0,96*2,5)=33,3Нм

Мс2 =180/(0,96*2,5)=75Нм

Мс3 = 70/(0,96*2,5)=29,2Нм

Мс4=100/(0,96*2,5)=41,7Нм

Мс5=50/(0,96*2,5)=20,8Нм

 

 

• Определяем степень нагрузки ЭД для каждого значенияMCj:

 

гдеМн - номинальный момент, определяемый по формуле

Мн=1,03*РН/Ѡн= 1,03*14500/314=47,6Нм

 

= 33,3/47,6 = 0,7

= 75/47,6= 1,58

= 29,2/47,6= 0,61

= 41,7/47,6= 0,88

= 20,8/47,6= 0,44

 

• Определим частоту вращения для каждого значения βj:

 

Произведем предварительные расчеты:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• Найдём значение мощности ЭД для каждого βj:

 

 Вт

Вт

Вт

Вт

Вт

 

• Определяем значения КПД для каждого βjпо каталожной зависимости η = f(β) или по приближенной формуле:

 

 

 

 

 

 

 

• Определим мощность потерь для каждого βj:

 

 

 

 

 

 

• Найдём средние потери за рабочий период привода:

 

Для ПР ЭП сравним расчетное значение средних потерь с номинальными потерями выбранного ЭД по условию :

 

 

 

 

 

 

 

3  Разработка принципиальной  электрической схемы управления  ЭД

 

Минимальные требования усистеме управления ЭД:

• кнопочный пост управления приводом;

• автоматизированный многоступенчатый пуск ЭД в функции времени, 
тока или ЭДС;

• реверсирование ЭД;

• динамическое торможение при остановке ЭД;

• защита от токов короткого замыкания;

• нулевая защита;

• тепловая защита;

• защита по максимальному току;

• сигнализация о включённом и отключённом состоянии ЭД

Разработанная электрическая схема показана на рисунке 2.

 

При подаче питания на электрическую схему, получает питание шунтовая обмотка, и срабатывает реле минимального тока КА2 и, замыкая свой контакт КА2, подготавливает цепь катушек контакторов КМ1 и КМ2 к работе. Через замкнутые контакты КМ1.4 и КМ2.4 получает питание катушка контактора ускорения КМ3, размыкается контакт КМ3.1 , включая 1 ступень пускового сопротивления Rп в цепь якорной обмотки, и замыкается контакт КМ3.2 , подающий напряжение на катушку контактора КМ4. Контактор КМ4 срабатывает, и контакт КМ4.1 размыкается, включая вторую ступень пускового сопротивления Rп в цепь якорной обмотки. Контакт КМ4.2 включает в работу белую лампу сигнализации подготовительного режима схемы управления приводом HL1, а зеленая лампа HL2 сигнализации штатного режима работы привода не получает питание из-за разомкнувшегося контакта КМ4.3. Все подготовительные операции к функционированию схемы завершены, и привод готов к дальнейшей работе.

При нажатии кнопки SB1 получает питание катушка контактора КМ1, замыкаются контакты направления вращения «вперед» КМ1.1 и КМ1.2, подключая цепь якорной обмотки к напряжению сети через пусковые сопротивления реостата Rп. Контакт КМ1.6 размыкается и отключает от якорной обмотки сопротивление динамического торможения Rт контакт КМ1.3 шунтирует замыкающий контакт кнопки SB1, обеспечивая подачу питания катушке контактора КМ1 при отпускании кнопки SB1. Двигатель I разгоняется по первой пусковой характеристике.

 

 

Рисунок 2 – Электрическая схема

 

Контакт КМ1.4 снимает питание с катушки контактора ускорения КМЗ, контакт КМ3.1 с выдержкой времени замыкается и выключает первую ступень пускового сопротивления Rп, и двигатель начинает разгон по второй пусковой характеристике. Контакт КМ3.2 размыкается, и теряет питание катушка контактора ускорения КМ4. С выдержкой времени замыкается контакт КМ4.1, выключается вторая ступень пускового реостата R и двигатель начинает разгоняться по естественной механической характеристике до установившегося состояния. Контакты КМ4.2 и КМ4.3 переключают состояние ламп сигнализации – загорается зеленая лампа HL2 и гаснет белая лампа HL1. Таким образом, разработанная схема обеспечивает автоматизированный пуск ЭД постоянного тока в функции времени.

При нажатии кнопки «стоп» катушка контактора КМ1 теряет питание, контакты КМ1.1 и КМ1.2 отключают якорную обмотку двигателя от сети, а замкнувшийся контакт КМ 1.6 подключает к якорной обмотке сопротивление динамического торможения RT, шунтовая обмотка продолжает получать питание, и двигатель тормозится в режиме динамического торможения.

Разработанная схема обеспечивает двигателю режим противовключения. При работе двигателя «вперед» и последовательном нажатии кнопок - "стоп" и SB2 назад контакт КМ1.5 разрешает подачу питания на катушку контактора КМ2 назад, и контактор КМ2 срабатывает. Контакты КМ2.1 и КМ2.2 меняют полярность включения якорной обмотки, и катушка реле напряжения KV1 оказывается под напряжением равным сумме напряжения сети и ЭДС вырабатываемой вращающимся ротором ЭД. Реле срабатывает и контактом KV1.2 подает питание на катушку контактора КМ5, который размыкает контакт КМ5.1 и в якорную цепь ЭД вводится дополнительное сопротивление торможения противовключенияRпвк. Контакт KV1.1 замыкается и обеспечивает питание катушки контактора КМЗ, который в свою очередь обеспечивает замкнувшимся контактором КМ3.2 питание катушки контактора КМ4.Контакторы КМ3.1, КМ4.1разомкнуты, и в якорную цепь ЭД включены последовательно обе ступени пускового резистора. Двигатель тормозит в режимепротивовключения. При уменьшении напряжения на катушке реле контроля торможения противовключенияKV1 до значения, равного напряжению сети, реле возвращается в исходное состояние, контакт КV1.2 размыкается, контактор КМ5 теряет питание и контакт КМ5.1 замыкается и отключает ступень сопротивления противовключенияRпвк. Контакт KV1.1 размыкается, а контакт КМ2.4 разомкнут, то катушка контактора ускорения КМ3 теряет питание, и двигатель запускается в обратную сторону вращения в функции времени (аналогично прямому пуску).

Назначение элементов защиты:

QF – автоматический выключатель, защита от токов кз силовой цепи.

КА1 – реле максимального тока, защита от больших токов.

КА2 – реле обрыва поля, защищает работу ЭД при обрыве цепи возбуждения и возможного разноса ЭД при холостом ходе.

КК1 – тепловое реле, тепловая защита ЭД

FU1, FU2 – плавкие предохранители, защита цепей управления и сигнализации от токов КЗ и перегрузок.

Rp– разрядный резистор, защита от перенапряжения обмотки возбуждения в момент её отключения от питающей сети.

 

 

4  Расчет и построение естественной и искусственных, пусковых и тормозных механических характеристик ЭД, временной пусковой диаграммы привода.

 

Электродвигатели постоянного тока (ЭД ПТ) имеют два основных исполнения по способу возбуждения:независимое - с обмоткой параллельного возбуждения и небольшой (легкой) компенсационной обмоткой последовательного возбуждения исмешанное - с двумя обмотками возбуждение из которых параллельная обмотка имеетпостояннуюнамагничивающую силу, а последовательная обмотка - переменную намагничивавшую силу, пропорциональную току якорной цепи.

Для расчета и построения характеристик ЭД ПТ с независимым возбуждением используются их каталожные данные: номинальная мощность Рн, номинальный ток Iн номинальный КПД ηнсопротивления якорной обмотки, дополнительных полюсов,последовательной обмотки, параллельной обмотки , число витков параллельной и последовательной обмоток, номинальная частота вращения допустимая кратность тока якоря, допустимая кратность момента.

На основе каталожных данных ЭД ПТ определим:

 

• Номинальную частоту вращения вала ЭД

 

 

 

• Номинальный ток якорной цепи

 

• Номинальный электромагнитный момент

 

• Коэффициент пропорциональности между электромагнитным моментом и током якорной цепи

 

• Номинальное значение ЭДС якорной обмотки

В

 

 

 

 

• Сопротивление якорной цепи

 

• Частота вращения идеального холостого хода

 

Построим:

• Естественную скоростную характеристику по уравнению