Зміст
Введення
1. Технологічне опис механізму, його особливостей, кінематична схема
2. Розрахунок навантажень, створюваних механізмом на валу двигуна за цикл роботи і побудова навантажувальної діаграми механізму
3. Попередній вибір потужності двигуна по навантажувальної діаграмі механізму
4. Розрахунок і побудова тахограмми і уточненої навантажувальної діаграми. Перевірка попередньо обраного двигуна
5. Розрахунок відсутніх параметрів обраного двигуна і побудову його статичних характеристик
6. Розрахунок перехідних процесів , М (t) (пуск, гальмування, перехід з однієї швидкості на іншу) за цикл роботи приводу
7. Побудова точної навантажувальної діаграми , М (t) і остаточна перевірка двигуна по нагріванню, перевантажувальної здатності і пусковим умов
Введення
Даний курсовий проект включає в себе основні питання проектування системи електропривода виробничого механізму: вивчення особливостей роботи механізму, вибір типу електроприводу, вибір роду струму і типу електродвигуна, вибір напруги і частоти мережі живлення або перетворювача, розрахунок потужності і вибір двигуна і т.д.
Головним завданням проектування електроприводу є визначення потужності і вибір електродвигуна і подальша його перевірка за умовами праці.
Кранове обладнання є одним з основних засобів комплексної механізації всіх галузей народного господарства. Розширення галузі машинобудування, що займається виробництвом вантажопідіймальних машин, є важливим напрямом розвитку народного господарства для вирішення завдання всебічного скорочення і ліквідації важкої ручної праці. В даний час вантажопідйомні машини випускаються великим числом заводів, у багатьох галузях народного господарства. І ці машини використовуються практично у всіх сферах народного господарства: при видобутку корисних копалин, в металургії, машинобудуванні, будівництві, на транспорті та ін Переважна більшість вантажопідйомних машин, виготовлених вітчизняною промисловістю, має електричний привід основних робочих механізмів і тому ефективність дії цих машин в значно мірою залежить від якісних показників використовуваного кранового електроустаткування. Електропривод більшості вантажопідйомних машин характеризується повторно-короткочасним режимом роботи при великій частоті включень, широкому діапазоні регулювання швидкості і постійно виникаючих значних перевантаженнях при розгоні і гальмуванні механізмів. Особливі умови використання електроприводу у вантажопідйомних машинах стали основою для створення спеціальних серій електричних двигунів і апаратів кранового виконання. В даний час кранове електрообладнання має у своєму складі серії кранових електродвигунів змінного і постійного струму, серії силових і магнітних контролерів, командоаппаратов, кнопкових постів, кінцевих вимикачів, гальмових електромагнітів і електрогідравлічних штовхачів, пускотормозних резисторів і ряд інших апаратів, комплектуючих різні кранові електроприводи.
У крановій електроприводі почали досить широко застосовуватися різні системи тиристорного регулювання та дистанційного керування по радіоканалу плі одному дроту.
Для забезпечення механізованої транспортування феромагнітних матеріалів промисловістю виготовляється дві серії вантажопідіймальних електромагнітів. Виробництво кранового електроустаткування стало однією з найважливіших галузей електротехнічної промисловості. При цьому використанням та експлуатацією кранового електроустаткування займаються десятки проектно-конструкторських організацій і сотні підприємств різних галузей народного господарства, отже, особливої значущості набуває випуск систематизованої інформаційно-технічної літератури, що охоплює всі сторони використання та експлуатації електрообладнання вантажопідіймальних машин.
Для проведення практичних інженерних розрахунків в даний час створені і впроваджені в практику нові прогресивні і доступні для широкого кола працівників методи проектування більшості кранових електроприводів, що відображають сучасні напрямки оптимізації систем та їх техніко-економічного обгрунтування.
Особливу увагу в даному курсовому проекті приділяється перевірці обраного двигуна по нагріванню і перевантажувальної здатності, а також визначення вимог до перетворювача та розробці схем електроприводу.
1. Технологічне опис механізму, його особливості, кінематична схема
Механізм пересування візка виконується за кінематичною схемою, наведеною на рис. 1.1 для передачі крутного моменту від електричного двигуна до приводних коліс використовується вертикальний редуктор типу ВКН. Вал електродвигуна з'єднаний з швидкохідним валом редуктора втулочно-пальцевої муфтою, на одній половині якої встановлено колодкове гальмо з електродвигуном.
Мостовий кран виконує транспортні операції у відкритому складському приміщенні.
Цикл роботи механізму візки включає рух візка з номінальним вантажем і рух без вантажу.
Рис. 1.1 - Механізм пересування візка: 1 - двигун; 2 - гальмо, 3 - редуктор, 4 - ходове колесо.
Номінальна вантажопідйомність крана m н, Швидкість пересування візка, V; Діаметр ходового колеса візка D, довжина прольоту крана L, відносна тривалість включення ПВ. Нижче в таблиці наведено характеристики роботи приводу, за завданням.
Таблиця 1.1 - Технічні характеристики механізму
Параметри | Величина | Одиниця виміру |
Номінальна вантажопідйомність, mн | 20000 | кг |
Швидкість пересування візка, V | 36 | м / хв |
Діаметр ходового колеса візка, D | 0,32 | м |
Довжина прольоту крана, L | 14 | м |
ПВ | 25 | % |
2. Розрахунок навантажень, створюваних механізмом на валу двигуна за цикл роботи і побудова навантажувальної діаграми механізму
Вибір потужності двигуна заснований на розрахунку зусиль, що виникають у механізмі і побудова навантажувальної діаграми механізму P = f (t) або М = f (t).
Для того щоб усвідомити, які зусилля виникають у робочому органі механізму, необхідно до розрахунків попередньо без цифрових даних зобразити навантажувальну діаграму, яку повинен виконувати заданий механізм для виконання технологічного циклу.
Розраховуємо час роботи (спуску або підйому) візки на задану висоти H:
з (2.1)
де V = 0.6 м / с - швидкість підйому (спуску)
Визначаємо зусилля, необхідні для руху робочого органу:
F = , (2.2)
де m - сумарна маса перевезеного вантажу, кг;
R - Радіус ходового колеса, м;
- Коефіцієнт тертя ковзання в підшипниках коліс;
F - коефіцієнт тертя кочення ходових коліс;
k - Коефіцієнт, що враховує опір від тертя реборд об рейки;
r - Радіус цапфи (маточини) ходового колеса.
кг
кг
Де m кр = 600 кг - маса гака
m Т = 6000 кг - маса візка
g = 9,81 м / c 2 - прискорення вільного падіння
При підйомі m = (M кр + m Т) * g = (6000 +600 +20000) * 9,81 = 260,946 кН (2.3)
При спуску m = M Т * g = 6600 * 9,81 = 64,746 кН (2.4)
При підйомі F =
кН
При спуску F =
кН
Розраховуємо потужності за формулами:
Pмех = (2.5)
де F - зусилля для руху робочого органу
V - швидкість руху механізму
P 1 = кВт
P 2 = кВт
ККД передачі розраховуємо за формулою:
(2.6)
де h пер н - номінальний ККД кінематичної схеми;
a - коефіцієнт приймається в межах 0,074 - 0,1;
К з - коефіцієнт завантаження.
Коефіцієнт завантаження знаходимо за формулою:
(2.7)
де m H - номінальна маса вантажу, кг
m - повна переміщувана маса, кг
Знаходимо коефіцієнт завантаження за (2.7):
При підйомі
При спуску
За (2.6) розраховуємо ККД передачі:
При підйомі
При спуску
Знаходимо статичні потужності на валу двигуна за формулою:
;
(2.8)
При підйомі кВт
При спуску кВт
Для переходу на навантажувальну діаграму М С = f (t) після визначення статичних потужностей необхідно знати номінальну швидкість двигуна w н, так як:
(2.9)
Визначаємо кутову швидкість обертового робочого органу:
w раб.орг = (2.10)
де r - радіус барабана, r = 0,14 м
w раб.орг = рад / c
Так як не задані параметри кінематичного ланцюга, то задаємося номінальною швидкістю двигуна:
n H = 1500 об / хв
Номінальна кутова швидкість двигуна:
(2.11)
рад / c
Тоді передавальне число редуктора:
(2.12)
Розраховуємо статичні моменти за формулою (2.9):
При підйомі
При спуску
Будуємо навантажувальну діаграму по розрахованим параметрам (Рис.2.2).
Цикл T Ц визначається часом, після якого процес повторюється:
T Ц = t p 1 + t 01 + t p 2 + t 02 (2.13)
T Ц = 30 +90 +30 +90 = 240 з
3. Попередній вибір потужності двигуна по навантажувальної діаграмі механізму
За навантажувальної діаграмі рис.2.2 визначаємо фактичне ПВ ф%, фактична тривалість включення:
(3.1)
По фактичному ПВ Ф можна судити про режим роботи двигуна. Так як ПВ Ф <60%, то режим роботи двигуна повторно - короткочасний. Тому нижче наведено порядок вибору двигуна для цього режиму.
За навантажувальної діаграмі визначаємо еквівалентний момент М Е для ПВ Ф:
М Е = (3.2)
М Е = кН × м
З стандартного ряду ПВ СТ приймаємо рівним 25% і перераховуємо еквівалентний момент, відповідний ПВ Ф, на момент М СТ, який буде відповідати обраному стандартному ПВ СТ:
(3.3)
кН × м
Знаходимо розрахункову потужність:
P розр = (1,1 ¸ 1,3) × М СТ × w Н (3.4)
де (1,1 ¸ 1,3) коефіцієнт враховує додатковий нагрів двигуна за час перехідних процесів, що не врахований при попередньому виборі потужності двигуна. Оскільки режим роботи двигуна напружений, то приймаємо коефіцієнт рівним 1,3.
P розр = 1,3 × 7,3 × 157 = 1498,9 Вт = 1,49 кВт
Попередньо вибираємо двигун по [1] відповідно до прийнятого ПВ СТ, так щоб швидкість відповідала w Н.
Таблиця 3.1 - Дані двигуна
Тип | P ном, кВт | n ном, об / хв | I 1ном, А | cos j н | I 2ном, А | % | М max, Н × м | J д, кг × м 2 | f, Гц |
МТ KF 310-6c | 1,7 | 835 | 5,8 | 0, 7 4 | 15 | 60 | 41 | 0,08 | 50 |
4. Розрахунок і побудова тахограмми і уточненої навантажувальної діаграми. Перевірка попередньо обраного двигуна
При попередньому виборі потужності не були враховані періоди пуску, гальмування, робота на зниженій швидкості. На цьому етапі розрахунку будуємо уточнену діаграму і перевіряємо чи достатньо потужності обраного двигуна. Для того щоб бути впевненим в правильній побудові діаграми, необхідно в тому ж масштабі побудувати і тахограмма роботи механізму w (V) = f (t).
Моменти інерції приводу визначаємо за формулами:
При підйомі
(4.1)
(4.2)
де i - передавальне число редуктора;
V н - номінальна швидкість підйому;
J дв - момент інерції двигуна (з таблиці 3.1)
J бар - момент інерції барабана J бар = 1кг × м 2
кг × м 2
кг × м 2
Умова прискорення або уповільнення валу двигуна можна знайти по:
e 0 = а / r (4.3)
де а - лінійне прискорення або уповільнення. Приймаються прискорення а у = 0,5 м / с 2, уповільнення а у = 0,3 м / с 2.
r - радіус приведення:
(4.4)
м
Тоді за (4.3) кутове прискорення і уповільнення рівні:
рад / c 2
рад / c 2
За умовою, знижена швидкість складає 10% від номінальної, отже:
V пон = 0,1 × V Н = 0,1 × 0,6 = 0,06 м / c
w пон = 0,1 × w Н дв = 0,1 × 87,4 = 8,74 м / c
Оскільки в процесі роботи мають місце різні статичні моменти і приведені до валу двигуна моменти інерції, то розраховуємо пускові і гальмівні моменти для всіх режимів роботи.
Пускові моменти знаходимо за формулою:
Час роботи на зниженій швидкості приймаю рівним 1-5 с.
Номінальний момент двигуна визначаю за висловом
Н ∙ м. (4.5)
Значення пускового моменту знаходжу за формулою
Н · м. (4.6)
Гальмівний момент приймаю рівним пусковому М т = М п = 33,07 Н ∙ м.
Після прийняття значень М т і М п можна розрахувати параметри тахограмми і уточненої навантажувальної діаграми.
Час перехідного процесу t пп (пуск, гальмування) визначається з рівняння руху М - М з = J n рів × d w / dt як
. (4.6)
Час пуску з цього рівняння, коли w поч = 0, а w кон = w с визначається як
, (4.7)
де w с - швидкість двигуна при М = М с, w з попередньо можна прийняти рівною w н.
Час переходу з номінальної швидкості на знижену
, (4.8)
де w пон - знижена швидкість, рад / с.
Час гальмування до повної зупинки від зниженій швидкості w пон
. (4.9)
Виникаючі при цьому прискорення а у і уповільнення о з, хоча умовою вони і не задані, але їх необхідно оцінити і порівняти з рекомендованими. Визначають їх за формулами
;
;
. (4.10)
Розрахувати час і прискорення під час початку руху. Час пуску двигуна і прискорення по (4.6) і (4.10):
с,
м / с 2.
Час переходу з номінальної швидкості на знижену і відповідні прискорення за виразом (4.8) і (4.10):
с,
м / с 2.
Час гальмування до повної зупинки від зниженій швидкості w пон і прискорення при цьому, визначаю за формулою (4.9) і (4.10)
с,
м / с 2.
Розрахунок часів інших операцій проводжу аналогічно, дані розрахунків зводжу до таблиці 4.1.
Таблиця 4.1 - Часи і прискорення операцій
Рух з вантажем
Рух без вантажу
t пп = 9,14 з
а у = 0,066 м / с 2
t пп = 2,13 з
а у = 0,28 м / с 2
t пон = 2,47 з
о з = 0,21. м / с 2
t пон = 0, 8 9с
о з = 0, 6 м / с 2
t тпон = 0,27 з
а зпон = 2 м / с 2
t тпон = 0,099 з
а зпон = 5,45 м / с 2
Треба відзначити, що для механізму головним є не час роботи з тією або іншою навантаженням, а шлях, який повинен пройти механізм за цей час роботи.
Так як при пуску, гальмуванні, роботі на зниженій швидкості двигун не працює з номінальною швидкістю, і механізм, відповідно, не рухається з номінальною швидкістю, то для отримання того ж шляху необхідно інший час, ніж при побудові наближеною діаграми. Тому треба розраховувати шлях, який пройде механізм за час t п, t т.пон, t т, а решту часу він повинен буде пройти зі швидкістю v н. Позначимо цей час t y, тобто роботу двигуна з усталеною швидкістю.
Шлях при пуску l п, гальмування до зниженій швидкості l т.пон, при роботі на зниженій швидкості l пон і остаточному гальмуванні можна знайти за наступними виразами:
, (4.11)
(4.12)
, (4.13)
. (4.14)
Час роботи на зниженій швидкості t пон, що входить у вираз (4. 10), можна прийняти наближено в межах від 1 с до 5 с.
Механізм зі швидкістю v п повинен пройти шлях L y
, (4.15)
де L - шлях, який повинен пройти механізм (за завданням).
Час роботи двигуна t y зі швидкістю v н
. (4.16)
Отже, зазначені шляху при початку руху рівні (t пон = 3с):
м,
м,
м,
м,
м,
с.
Аналогічно виконую розрахунки для інших операцій, дані розрахунків заношу в таблицю 4.2.
№
, М
, М
, М
, М
t у, з
Рух з вантажем
4,99
0,073
1,2
0,01
7,77
12,95
Рух без вантажу
1,3
0,026
1,2
0,027
12,59
20,98
Будуємо тахограмми і уточнену навантажувальну діаграму (рис.4.1).
Після уточнення навантажувальної діаграми знову визначаємо фактичну тривалість включення ПВ Ф з урахуванням часів пуску, гальмування, руху на зниженій і номінальною швидкостях. При цьому тривалість пауз залишається колишньою.
(4.16)
Уточнюємо еквівалентний момент:
М Е =
(4.17)
М Е =
Н × м
Перераховуємо еквівалентний момент, відповідний фактичної тривалості включення ПВ Ф на М СТ по (3.3)
Н × м
Визначаємо розрахункову потужність:
P розр = М СТ × w Н дв (4.18)
P розр = 18,3 × 87,4 = 1599,8 Вт = 1,59 кВт
Порівнюємо P розр з P ном обраного двигуна:
P ном = 1,7 кВт> P розр = 1,59 кВт,
Отже, двигун обраний вірно.
5. Розрахунок відсутніх параметрів обраного двигуна і побудову його статичних характеристик
За статичними характеристиками розуміють механічні w = f (M) і електромеханічні w = f (I) характеристики. Ці характеристики будують за каталожними даними двигуна.
Оскільки двигун живиться від тиристорного перетворювача частоти і у всіх режимах двигун працює в зоні від 0 до S K, то для розрахунку механічної характеристики можна застосувати формулу Клосса:
(5.1)
де М К - максимальний критичний момент двигуна;
S К - критичне ковзання двигуна.
М К визначають за табличним даними, де задано
l = М К / М Н (5.2)
Номінальний момент:
Н × м
Значення S K береться з каталогу. Якщо це значення не задано, то можна скористатися формулою:
S K = S Н (l + ) (5.3)
де S Н - номінальна ковзання.
за (5.2) визначимо l = М К / М Н = 41/19 = 2,15
за (5.3) визначимо S K = 0,198 (2,15 + ) = 0,8
Переймаючись значеннями S в педель від - S K до S K знаходимо значення М за (5.1) і w = w 0 (1 - S). За знайденими точкам будуємо механічну характеристику.
Штучна механічна характеристика при частотному управлінні виражається формулою:
(5.4)
де a, n - відповідно відносні частота і швидкість.
,
w НОМ - синхронна кутова швидкість двигуна при номінальній частоті f ном (50Гц).
Для визначення частоти живильної мережі f, яка забезпечила знижену швидкість w ПОН при нормальному моменті М Н, запишемо управління для цих умов. Оскільки w ПОН = a × w Н, то
n пон = w пон / w 0 пон =
Тоді (5.5)
З (5.5) знаходимо a пон = 0,108 і відповідну частоту f пон = a пон × f ном = a пон 50Гц
Характеристику в I і II квадраті будуємо по вище наведеній формулі, задаючись значеннями w в межах w ³ w 0пон ³ w. Оскільки є реверс то будемо мати характеристики в III і IV квадранті (рис.5.1). Розрахункові значення наведені в таблиці (5.1).
Таблиця 5.1
Природна характеристика | Штучна характеристика | ||||
S | М, Н × м | w, рад / c | w, рад / c | n | М, Н × м |
-0,8 | -41 | 188,496 | 62 | 0,592055 | -36,319 |
-0,7 | -40,6372 | 178,024 | 52 | 0,496562 | -32,2254 |
-0,4 | -32,8 | 146,608 | 42 | 0,40107 | -26,4852 |
-0,2 | -19,2941 | 125,664 | 32 | 0,305577 | -19,0874 |
0 | 0 | 104,72 | 22 | 0,210084 | -10,296 |
0,2 | 19,29412 | 83,776 | 12 | 0,114591 | -0,67556 |
0,4 | 32,8 | 62,832 | 2 | 0,019099 | 9,001241 |
0,7 | 40,63717 | 31,416 | -8 | -0,07639 | 17,94694 |
0,8 | 41 | 20,944 | -18 | -0,17189 | 25,55986 |
Рис. 5.1 - Механічні характеристики АД
6. Розрахунок перехідних процесів w, М = f (t) за цикл роботи приводу
У сучасних системах регульованого електропривода змінного струму є можливість формувати перехідні процеси досить близькі до оптимальним шляхом зміни керуючого впливу. У приводах змінного струму плавним зміною частоти f живить двигун напруги з відповідним підтриманням відносини U / f.
Зміна керуючого впливу (частоти) найчастіше здійснюється за лінійним законом. Такий закон найбільш просто реалізувати за допомогою системи управління і в більшості випадків задовольняє пред'явленим до електроприводу вимогам. Лінійно змінюється та управляючі при гальмуванні, реверсі та інших перехідних процесах.
Характер перехідного процесу залежить тільки від електромеханічної інерційності електроприводу, що характеризується постійною часу T М і не залежить від електромагнітної характеризується постійною часу T Е. Це має місце при T М> T Е в чотири рази і вище, що найчастіше і трапляється.
Електромеханічна постійна часу знаходиться за:
(6.1)
де b - жорсткість механічної характеристики:
(6.2)
з механічної характеристики:
За (6.1) електромеханічна постійна
При підйомі: з
При спуску: з
Розрахунок перехідних процесів при пуску.
Початкові умови: w = 0, М = 0.
Перехідний процес складається з трьох ділянок:
А) На першій ділянці двигун нерухомий w = 0, відбувається наростання моменту (струму) двигуна М до величини, поки він зрівняється з М с.
Початок руху затримується на час t з:
(6.3)
де e 0 - кутове прискорення, розраховане за формулою (4.3), e 0 = 8,57 рад / с 2;
Dw 0 - падіння швидкості за характеристикою при навантаженні величену М С;
(6.4)
Момент наростає за лінійним законом:
(6.5)
де 0 <t <t з.
Б) На другій ділянці відбувається розгін від точки t з (w = 0, М = М С) і вихід на природну характеристику до точки t 0 (w = w 1). Ця ділянка описується рівняннями:
(6.6)
(6.7)
Кутова швидкість Х.Х.:
(6.8)
де w 0 НАЧ - швидкість холостого ходу характеристики, з якої починається перехідний процес при t = 0.
Метою розрахунку є вихід двигуна на природну характеристику в точку w 1. Тому в процесі розрахунку слід стежити за значеннями w і М. І припинити розрахунок, як тільки траєкторія руху вийде на природну характеристику.
В) На третьому ділянці розгону двигун переміщається по природній характеристиці від w 1 до w З. Ця ділянка розгону описується рівняннями:
(6.9)
(6.10)
де М КОН II - кінцеве значення моменту на другій ділянці, відповідні швидкості w 1
На підставі розрахунків будуємо залежності w = f (М), w = f (t), М = f (t).
Виконаємо розрахунок першого режиму:
М С1 = 9,89 Н × м
Початок руху затримується на час t з, яке розраховуємо за (6.3):
з
За формулою (6.4) визначаємо падіння швидкості на характеристиці при навантаженні М С1:
рад / с
На першій ділянці двигун не рухливий w = 0. Момент визначається за формулою (6.5) на ділянці 0 £ t <t з
Результати розрахунку зводимо в таблицю 6.1
Таблиця 6.1
t, з
0
0,183
М з, Н × м
0
9,89
Друга ділянка розраховуємо за рівнянням (6.6), (6.7), (6.8).
Результати розрахунків зводимо в таблицю 6.2:
Таблиця 6.2
w, рад / с
t, c
М, Н × м
0
0
9,89
0,68602
0,5
13,385411
2,45938
1