Розробка електропривода моталки для згортання металевої смуги в рулони

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати


Зміст

1. Аналіз та опис системи «електропривод-робоча машина»

1.1 Кількісна оцінка вектора-стану або тахограми необхідного процесу руху

1.2 Кількісна оцінка моментів і сил опору

1.3 Складання розрахункової схеми механічної частини електроприводу

1.4 Побудова навантажувальної діаграми і механічної характеристики робочої машини

2. Аналіз та опис системи «електропривод-мережа» і «електропривод-оператор»

3. Вибір принципових рішень

3.1 Побудова механічної частини електропривода

3.2 Вибір типу приводу (двигуна)

3.3 Вибір способу регулювання координат

3.4 Оцінка і порівняння вибраних варіантів

4. Розрахунок силового електроприводу

4.1 Розрахунок параметрів і вибір двигуна

4.2 Розрахунок і вибір силових перетворювачів

5. Розрахунок статичних механічних і електромеханічних характеристик двигуна і приводу

6. Розрахунок перехідних процесів в електроприводі за цикл роботи

7. Перевірка правильності розрахунку потужності і остаточний вибір двигуна

8. Розробка схеми електричної принципової

8.1 Розробка схеми силових ланцюгів, ланцюгів управління і захисту

8.2 Вибір елементів схеми

Висновок

Додаток А

Введення

Завданням даного курсового проекту є розробка електроприводу моталки. Моталки призначена для згортання металевої смуги в рулони.

При намотуванні необхідно підтримувати постійну швидкість намотування і силу натягу. У міру згортання збільшується радіус намотування, тому для забезпечення умов роботи необхідно зменшувати швидкість.

1 Аналіз і опис системи «електропривод-робоча машина»

1.1 Кількісна оцінка вектора-стану або тахограми необхідного процесу руху

При підході смуги до барабана, барабан розганяється до зниженою швидкості 9 рад / с. Далі він робить кілька обертів зі зниженим натягом. Для контролю натягу використовується датчик натягу компенсаційного типу. Після цього двигун розганяється, щоб отримати необхідний натяг смуги. Далі двигун відстежує лінійну швидкість смуги на краю барабана.

Після намотування смуги двигун гальмується під дією моменту холостого ходу.

Цикл намотування повторюється через 55 секунд.

Час намотування визначається виходячи з довжини смуги і лінійної швидкості, з якою вона надходить з рольганга:

сек.

Час циклу задано і становить 55 с.

Початкова і кінцева швидкості обертання барабана, визначаються в залежності від лінійної швидкості руху смуги, а також початкового і кінцевого радіусу барабана:

рад / с. рад / с

Кінцева швидкість буде при максимальному завантаженні, тому регулювання будемо вгору від основної. Значення передавального числа редуктора не задано. Воно розраховується виходячи з швидкості барабана і швидкості електродвигуна. За завданням дана максимальна швидкість двигуна в 102 рад / с. Але для зменшення масогабаритних показників двигуна краще вибрати двигун з номінальною частотою обертання 157 рад / с. Тоді на початку намотуванні він буде працювати зі швидкістю 314 рад / с.

Передаточне число редуктора:

Вибираємо редуктор зі стандартним передавальним відношенням рівним 10.

Тоді швидкості обертання двигуна на початку і в кінці циклу будуть рівні:

Тахограмма робочого процесу має вигляд:

Малюнок 1.3-тахограмма робочого процесу

1.2 Кількісна оцінка моментів і сил опору

При збільшенні радіуса барабана, сила натягу залишається постійною, отже, статичний момент збільшується.

Також при намотуванні збільшується вага барабана, значить, збільшується сила тертя. Момент тертя становить 10% від початкового значення М Корисного. Приймемо вага барабана рівним вазі намотуваним смуги. Тоді в кінці намотування момент тертя буде в два рази більше.

Момент сумарний буде дорівнює:

Момент опору, приведений до валу двигуна, буде дорівнює:

1.3 Складання розрахункової схеми механічної частини електроприводу

Розрахункова схема електропривода має вигляд двох мас, з'єднаних пружним ланкою-еластичної муфтою.

Перша маса включає в себе: момент інерції двигуна і моменту інерції напівмуфти:

кг * м 2

Друга маса включає: момент інерції напівмуфти, момент інерції редуктора, приведеного до валу двигуна, момент інерції барабана, також приведеного до валу двигуна.

В кінці намотування момент інерції другого маси збільшується, тому що на барабан намотується 550 кг смуги. При цьому момент інерції рулону розраховується як момент інерції кільця з радіусами 0,3 м і 0,6 м.

кг * м 2

Тоді момент інерції другого маси наприкінці намотування буде дорівнює:

кг * м 2

Обгрунтування переходу до одномасової розрахунковою схемою:

  • на другий масі немає датчиків;

  • частота власних коливань:

умова переходу: Т рег. жел> > 0.0166

Як показано нижче Т приводу становить 0,02. Значить можна перейти до одномасової розрахунковій схемі.

1.4 Побудова навантажувальної діаграми і механічної характеристики робочої машини

Навантажувальна діаграма має вигляд:

  • На початку циклу до виходу на номінальний режим натяг стрічки відсутня. На двигун діє тільки момент, створюваний силою тертя.

  • Після скоєння декількох оборотів двигун входить в режим підтримки постійного натягу смуги. При цьому в міру збільшення радіусу барабана момент також збільшується.

Малюнок 1.2-Нагрузочная діаграма

Для побудови механічної характеристики робочої машини необхідно поєднати навантажувальну діаграму і тахограми. Для наочності при побудові по вертикальній осі будемо відкладати швидкість, а не момент.

Малюнок 1.3-Механічна характеристика робочої машини

2 Аналіз та опис системи «електропривод-мережа» і «електропривод-оператор»

Електропривод підключається до мережі 380 В. Перетворювач забезпечує узгодження між двигуном і мережею. Між мережею і перетворювачем працює автоматичний вимикач. Пуск двигуна відбувається при спрацьовуванні датчика, що показує, що на барабан надійшла стрічка. Пуск двигуна регульований. Для завдання швидкості двигуна використовується контур регулювання натягу.

Електропривод працює без оператора.

3 Вибір принципових рішень

3.1 Побудова механічної частини електропривода

Механічна частина приводу складається з еластичної муфти, редуктора з передаточним відношенням 10 і барабана радіусом 0,3 метра.

3.2 Вибір типу приводу (двигуна)

Для підтримки постійного натягу і постійної лінійної швидкості намотуваним стрічки необхідно використовувати замкнуту систему регулювання. Для побудови такої системи необхідно мати привід з можливістю плавного регулювання швидкості. До таких приводів відносяться: УВ-ДПТ з управлінням по потоку, АІТ-АД, АІН-АД з векторним керуванням.

Таблиця 3.1-Оціночна діаграма

Показник

ДПТ з управлінням по потоку

АД з частотно-струмовим керуванням

АД з векторним керуванням

Витрати на обслуговування

1

5

5

Зношуваність

2

5

5

Простота налагодження

5

5

4

Перспективність

1

5

5

Надійність

3

5

5

Разом

2,4

5

4,8

Як видно з оцінної діаграми найкращим типом приводу буде АД з частотно-струмовим керуванням.

3.3 Вибір способу регулювання координат

Регулювання координат будемо проводити за відхиленням їх від заданого значення.

Датчик швидкості обертання двигуна реалізований з допомогою тахогенератора.

У процесі намотування необхідно, щоб лінійна швидкість стрічки на барабані дорівнювала лінійної швидкості на рольгангу. Проконтролювати це можна за допомогою датчика натягу компенсаційного типу, який одночасно є натяжним пристроєм.

При перевищенні лінійної швидкості на барабані над лінійною швидкістю на рольгангу, довжина стрічки між барабаном і рольгангом буде зменшуватися. Це викличе зміщення датчика натягу від точки завдання. При цьому поворотна пружина збільшить натяг стрічки, а значить збільшиться момент, що прикладається до барабана. Також збільшиться сигнал зворотного зв'язку по натягу. Це змусить регулятор натягу зменшити сигнал завдання швидкості. Швидкість барабана зменшиться, зменшиться лінійна швидкість і датчик натягу повернеться в початкове положення.

Натяг стрічки описується наступною залежністю:

З УПР - коефіцієнт пружності стрічки. Хоч сама стрічка і не розтягується (вона металева), але «вільний хід» датчика натягу впливає на цей коефіцієнт. Так якщо взяти жорсткість самої стрічки рівній нескінченності, то З УПР буде дорівнює половині жорсткості поворотної пружини датчика (за законом «рухомого блоку»).

Таким чином, датчик натягу виконує дві функції: натяг матеріалу і контроль різниці лінійних швидкостей.

    1. Оцінка та порівняння вибраних варіантів

Для наочності наведемо оціночну діаграму:

Малюнок 3.1-Оціночна діаграма

4 Розрахунок силового електроприводу

4.1 Розрахунок параметрів і вибір двигуна

У розробляється механізм необхідно передати постійну потужність на навантаження: постійне натяг при постійній лінійній швидкості.

Р корисна = F натягу. * V Бараба.

Потужність, що витрачається на дію сил тертя в барабані, також буде постійною, тому що момент тертя в кінці намотування збільшується в два рази, а швидкість барабана зменшується у два рази.

Необхідна потужність двигуна розраховується для початку або для кінця намотування:

Р ДВИГ. = М С.К.. * W КОН. / H = 1188 * 146,7 / 0,95 = 18,4 кВт

Але тому двигун працює не постійно, а з деякою ПВ, то проводиться перерахунок двигуна. Для початку розрахуємо ПВ двигуна. За завданням сказано, що після намотування двигун гальмується під дією сили тертя, а час між началами циклів намотування дорівнює 55 сек. Оцінимо час гальмування приводу під дією сили тертя:

При М торм = М тертя кін. = 10,8 Н * м, час гальмування дорівнюватиме: = 110 с. Видно, що необхідно загальмувати барабан двигуном, щоб вкластися в час, відведений для зупинки: 55-12,5 = 42,5 с.

Приймемо, що гальмівний момент, що розвивається двигуном, дорівнює номінальному. Тоді час гальмування дорівнюватиме:

= 9,2 с

При цьому час роботи двигуна збільшується на 9,2 с і становить:

з

Розрахункова потужність двигуна:

Р ДВ розр. = Р ДВИГ * = 11,55 кВт.

Вибираємо АД з нормальним ковзанням і з наступними параметрами:

  • номінальна частота обертання 146,6 рад / с;

  • розрахункова потужність> 11,55 кВт.

Найбільш відповідний двигун 4А160 S 4У3 має наступні параметри:

  • потужність-15 кВт.

  • ковзання-2, 7% (номінальна частота обертання-152, 8 рад / с)

  • ККД-89%.

  • Момент інерції 0,01 кг * м 2.

4.2 Розрахунок і вибір силових перетворювачів

Вибираємо перетворювач Amron 3 G 3 HV - B 4150. Потужність перетворювача 15 кВт. Має вбудований датчик струму, регулятор швидкості. Для вхідних сигналів регулятора швидкості є входи по напрузі і по струму.

Перетворювач забезпечує теплозахист.

Для перетворювача не потрібний трансформатор.

Протизавадний фільтр на виході перетворювача також не ставимо.

5 Розрахунок статичних механічних і електромеханічних характеристик двигуна і приводу

Визначимо номінальний момент двигуна:

Статична механічна характеристика приводу при частотно-струмовим керуванням, в області ковзань менше 1,5 S ном описується наступною залежністю:

,

Де -жорсткість механічної характеристики. Визначається за формулою:

Видно, що механічна характеристика має лінійний вигляд. Також для розрахунку необхідно знайти максимальне значення моменту з точки зору нагріву. При цьому врахуємо те, що машина є перевантаженою:

М max = М ном * * 1,4 = 98,2 * 1,6 = 157 Н * м

Малюнок 5.1-Механічна характеристика приводу

Електромеханічна характеристика також буде лінійна, тому що при частотно-струмовим керуванням момент прямопропорціонален току. Залежність між моментом і струмом можна знайти для номінальної точки.

А

Малюнок 5.2-Електромеханічна характеристика.

6. Розрахунок перехідних процесів в електроприводі за цикл роботи

Для розрахунку регуляторів необхідно розрахувати коефіцієнти передачі датчиків зворотних зв'язків. Будемо вважати, що датчики лінійні і не входять до насичення. Максимальна вихідна напруга датчика приймемо рівним 10 В. Тоді коефіцієнт передачі розраховується як відношення максимального вихідного напруги до максимального значення контрольованого параметра.

  • До дс = 10/320 = 0,0313 В * з / рад;

  • До дн = 10/2000 = 0,05 В / Н.

При синтезі спростимо модель приводу:

  • Внаслідок того, що момент інерції в процесі намотування змінюється в 16 разів, то для регулятора швидкості момент інерції приймемо в 4 рази більше початкового. Це підвищить швидкодію при виборі провисання і виході в режим з номінальним натягом;

  • Будемо вважати, що натяг виникає в стрічці прямо пропорційно подовженню;

  • Також будемо вважати, що радіус барабана не змінюється. Приймемо рівним початкового значення. Це підвищить швидкодію контуру натягу.

Розрахунок регулятора моменту

Для отримання найкращих динамічних властивостей, функціональний перетворювач повинен бути реалізований в силовому перетворювачі.

Структурна схема контуру моменту з регулятором представлена ​​на малюнку 6.1. Регулювання моменту виробляємо за допомогою позитивного зворотного зв'язку по швидкості.

Малюнок 6.1-Контур моменту

У статиці:

М =   (K f * K Р M * U з + K f * K Р M * K ПОСС *    

Звідси виходить система рівнянь:

З другого рівняння системи знаходимо До РМ:

0,0289

Регулятор моменту представляється у вигляді П-регулятора.

З першого рівняння знаходимо коефіцієнт позитивного зворотного зв'язку по швидкості:

= 1.0821

Розрахунок регулятора швидкості.

Для розрахунку контуру швидкості представимо контур моменту у вигляді ланки:

  *  K f * K M * K ПОСС -1   K f * K M * U З *   ( Е р +1) * М

K f * K M * U З *  = ( Е р +1) * М

До М = K f * K M * 

Малюнок 6.2-Контур струму з оптимізованим контуром швидкості

Передавальна функція регулятора швидкості має вигляд:

,

де Т = Т е-мала постійна часу;

а = 1-коефіцієнт демпфування

Для визначення передавальної функції об'єкта компенсації необхідно записати передавальну функцію розімкнутого контуру швидкості без урахування регулятора і ланок з малими постійними часу:

,

Тоді передатна функція регулятора швидкості буде мати вигляд:

= 104

Регулятор швидкості представлений у вигляді П-регулятора.

Розрахунок регулятора натягу.

Малюнок 6.3-Контур натягу з оптимізованим контуром швидкості

Передавальна функція об'єкта компенсації контуру натягу має вигляд:

,

де R Б-радіус барабана.

З У-коефіцієнт пружності стрічки. Дорівнює половині жорсткості поворотної пружини.

До ДН-коефіцієнт передачі датчика натягу

Передавальна функція регулятора натягу, налаштованого на модульний оптимум при двократно интегрирующем контурі натягу, буде мати вигляд:

Регулятор натягу представлений у вигляді ПІ-регулятора.

При моделюванні системи врахуємо нелінійності регуляторів, а також залежність параметрів механічної частини від радіуса барабана, який у свою чергу залежить від кількості оборотів барабана.

Механічна частина має наступний вигляд:

Малюнок 6.3-Механічна частина електроприводу

У першу чергу необхідно розрахувати поточний радіус барабана. Для цього знаходимо кут повороту барабана. Залежність між радіусом і кількістю оборотів має наступний вигляд:

,

де 0,005-товщина намотуваним стрічки (хоча в реальному механізмі намотати 5-ти міліметрову металеву пластину не так просто).

 - кут повороту барабана.

Після визначення радіуса знаходимо момент інерції. Він складається з двох частин-приведеного моменту інерції механізму і моменту інерції рулону. Момент інерції рулону визначається як момент інерції кільця.

Далі знаходимо момент тертя. З урахуванням того, що в кінці намотування сила тертя збільшується вдвічі, то ця залежність має наступний вигляд:

Далі знаходимо корисний момент. Він дорівнює добутку сили натягу на радіус барабана.

Сила натягу в свою чергу залежить від подовження поворотної пружини. Робочий хід датчика натягу прийнятий рівним 1 метру. Тоді при провисанні більше двох метром натяг дорівнює нулю. При провисанні рівному нулю сила натягу дорівнює добутку пружності смуги на подовження. Пружність смуги набагато більше пружності поворотної пружини, тому в цьому випадку ударний момент (що не є його робочим режимом).

При намотуванні необхідно спочатку розігнатися до зниженій швидкості. Для цього в системі введено сигнал «Увімк.». Моделює сигнал від датчика надходження смуги на барабан. У початковий момент він відключає регулятор натягу і подає на вхід регулятора швидкості сигнал для розгону на знижену швидкість.

Аналогічно діють сигнал «Стоп». Він призначений для гальмування барабана після намотування. Як було сказано вище, барабан не загальмується під дією тільки моменту холостого ходу. При цьому на регулятор швидкості подається нульове задає напругу.

Моделювання системи вироблено в пакеті Matlab. Структурна схема і графіки перехідних процесів представлені в графічній частині проекту.

7. Перевірка правильності розрахунку потужності і остаточний вибір двигуна

Для перевірки правильності вибору двигуна скористаємося методом еквівалентного струму. За даним методом вимірюється середньоквадратичне значення струму за цикл. Цей струм не повинен перевищувати номінальний струм двигуна. Також повинна забезпечуватися завантаження приводу більше, ніж на 75%.

<I ном

При частотно-струмовим керуванням струм пропорційний моменту. Тому на моделі вимірюємо поточний момент, ділимо його на номінальний і множимо на номінальний струм. Так отримаємо поточний струм. Зводимо його в квадрат і подаємо на інтегратор. В кінці циклу роботи інтегратор покаже значення інтеграла. Отримано такі значення:

Знайдемо завантаження двигуна:

Видно, що двигун не довантажений до необхідного значення. Проте, двигун меншої потужності (11 кВт) становить 73% від використовуваного. Це означає, що двигун буде перевантажений, що призведе до виходу його з ладу. Також двигун меншої потужності не забезпечить необхідних динамічних показників: при переході з підвищеною швидкості на робочу потрібен великий момент. Якщо його не забезпечити, то система почне «розгойдуватися» і в ній з'являться зростаючі коливання.

Тому, залишається обраний двигун.

8 Розробка схеми електричної принципової

8.1 Розробка схеми силових ланцюгів, ланцюгів управління і захисту

Силова ланцюг складається з наступних елементів: автоматичний вимикач, перетворювач, двигун.

Автоматичний вимикач забезпечує захисту від струмів короткого замикання. Тепловий захист вбудована в перетворювач.

Як ланцюга управління використовуються два датчики.

Перший показує, що смуга підходить до барабана. За його сигналом на вхід регулятора швидкості подається напруга 2,8 В, що змушує двигун розігнатися до зниженою швидкості 90 рад / с. Час спрацювання датчика-за 0,5 с до підходу смуги до барабана.

Другий датчик показує, що відбулося захоплення смуги барабаном. За його сигналом на вхід регулятора швидкості подається сигнал з регулятора натягу. Відбувається намотування смуги.

Коли смуга закінчується, то за сигналом першого датчика відбувається відключення регулятора швидкості від регулятора натягу, і на вхід регулятора швидкості подається сигнал напругою 0 В. Це викличе зупинку двигуна.

8.2 Вибір елементів схеми

Автоматичний вимикач

Струм захисту автомата вибирається в 2 рази більше струму, споживаного перетворювачем. Швидкодія автомата: 1 хв при струмі 150% від номінального струму.

Номінальний струм двигуна 29 А.

Вибираємо автомат на 29 А і 380 В.

Вибираємо вимикач автоматичний АЕ3023 10054У2А. Номінальний струм 45 А.

Датчики

Як датчики використовуємо герконові мікроперемикачі: МК-16-3. Максимальна напруга, що комутується 30 В, струм 0,01 А.

Датчик натягу компенсаційного типу

Виконаний на основі потенціометра. Робочий хід-1 метр. Жорсткість поворотної пружини 7200 Н * м. При робочому натягу займає середнє положення.

Блок управління

На вхід даного блоку подаються сигнали від датчиків. Відповідно до описаного раніше алгоритмом він видає сигнали на регулятор швидкості. Логіка роботи така:

Перший датчик

0

1

0

1

Другий датчик

0

0

1

1

Вихідний сигнал

0

2,8 В

Регулятор натягу

0

Даний алгоритм реалізується на цифрових мікросхемах.

Вибираємо МС на польових транзисторах:

  • КР1561ЛІ2-чотири елементи 2И;

  • К561ЛН2-шість елементів НЕ.

Регулятор натягу (ПІ-регулятор) зібраний на операційному підсилювачі.

  • К154УД1. Вхідний струм <12 мА;

  • вибираємо вхідний резистор:

.

Беремо 91 кОм.

  • вибираємо резистор в колі зворотного зв'язку:

.

Беремо 43 кОм;

  • вибираємо конденсатор:

С =

Беремо 51 мкФ.

Висновок

У результаті проведеної роботи був розроблений електропривод моталки на основі асинхронного двигуна з частотно-струмовим керуванням. Розрахована триконтурна система регулювання.

Завантаження двигуна на 74%. Але при виборі двигуна меншої потужності він буде перевантажений і не зможе забезпечити необхідну динаміку.

Додаток А

Вихідні дані для моделі:

ir = 10; Передаточне число редуктора

Vrol = 8.8; Лінійна швидкість рольганга

Cy = 3600; Жорсткість поворотної пружини

Rb = 0.3; Радіус барабана для регулятора швидкості

Rnach = 0.3; Початковий радіус барабана

Jsum = 0.52; Сумарний приведений момент інерції механізму

Mxx = 5.4; Початковий момент холостого ходу

Pnom = 15000; Потужність двигуна

Snom = 0.027; Номінальна ковзання

w 0 nom = 157; Номінальна частота мережі

Mnom = Pnom / (w 0 nom * (1 - Snom)); Номінальний момент

b = Mnom / (w 0 nom * Snom); Жорсткість характеристики приводу

mk = 2.2; Кратність критичного моменту

mp = 1.4; Кратність пускового моменту

m1 = mk / mp;

Sk = (sqrt (Snom) + sqrt ((mk-1) / (m1-1 )))/( 1/sqrt (Snom) + sqrt ((mk-1) / (m1-1))); критичне ковзання

Te = 1 / (w 0 nom * Sk); Електромагнітна постійна часу

Tmu = Te; Мала стала часу

w 0 max = 320; Максимальна частота обертання (підвищена швидкість)

Fmax = 2000; Максимальне натяг

Kds = 10 / w 0 max; Датчик швидкості

Kdn = 10 / Fmax; Датчик натягу

Mmax = 2.18 * Mnom; Максимальний момент двигуна

Kf = w 0 max / 10; Коефіцієнт передачі перетворювача по частоті

Krm = Mmax / (10 * b * Kf); Коефіцієнт регулятора моменту

Kpos = 1 / (Kf * Krm); Коефіцієнт ПОС по швидкості

Km = b * Krm * Kf; Коефіцієнт передачі оптимізованого контура моменту

Krs = 4 * Jsum / (Tmu * Km * Kds); Регулятор швидкості

Krn = (Kds * ir) / (4 * Te * Rb * Cy * Kdn); Регулятор натягу

Trn = (32 * Te * Te * Rb * Cy * Kdn) / (Kds * ir); Регулятор натягу

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Курсова
111.1кб. | скачати


Схожі роботи:
Розробка електропривода вентиляційної установки
Розробка заходів щодо зниження різнотовщинності смуги на стані кварто 1700
Проектування металевої балочної конструкції
Пристрій для вимірювання температури в індустріальних системах і розробка програми для виведення
Розробка стратегії мерчендайзингових діяльності для супермаркета для всієї родини г Біробіджана
Розрахунок параметрів електропривода
Гемостаз і згортання крові
Проектування суднового радіоприймальних пристроїв Розрахунок смуги
Дослідження динаміки згортання крові
© Усі права захищені
написати до нас