Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Вариант №14



Задание

Разрабатываемый крановый механизм имеет следующую кинематическую схему (рис.1).

Рисунок 1 - Кинематическая схема кранового механизма: Д - двигатель; М - муфта; Р - редуктор; Б - барабан; П - полиспаст; Г - груз

двигатель привод крановый перегрузка

Грузоподъемность лебедки G₁, кН;

Вес грузозахватного устройства G₀, кН;

Диаметр барабана D_б, м;

Скорость подъема и опускания груза V_н, м/с;

Ускорение замедления при работе с грузом а₁, м/с²;

Ускорение замедления при работе без груза а₀, м/с;

Кратность полиспаста i_п, о.е;

Передаточное число редуктора i_р, о.е;

Длительность цикла t_ц, сек.

КПД редуктора _р, о.е;

КПД полиспаста _п, о.е;

КПД барабана _б, о.е;

Высота подъема Н, м;

Продолжительность включения механизма ПВ,%.

В ходе выполнения курсового проектирования необходимо выполнить следующее:

Выбрать двигатель для привода кранового механизма;

Выполнить проверку выбранного двигателя по условиям перегрузки и перегрева;

Разработать схемы управления для автоматизированного электропривода кранового механизма

Исходные данные для проектирования:

G1, кН	G0, кН	Dб , м	V, м/с	a1, м/с2	a0, м/с2	iп, о.е	iр, о.е	tц, с	р, о.е	п, о.е	б, о.е	Н, м	ПВ, %.
400	19	0,6	0,2	0,15	0,32	7	8,32	450	0,85	0,98	0,94	14	35



СОДЕРЖАНИЕ

двигатель привод крановый перегрузка

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ

1.1 Определение времени работы и нагрузок привода

1.2 Определение приведённого значения момента на валу двигателя

1.3 Определение мощности двигателя

2. УТОЧНЁННЫЙ ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ

2.1 Определение динамического момента двигателя

2.2 Проверка выбранного двигателя по условиям перегрузки и перегрева

2.3 Построение механической характеристики двигателя

2.4 Построение искусственных механических характеристик двигателя

2.5 Расчёт пусковых сопротивлений двигателя

2.6 Построение характеристик переходного процесса двигателя

2.7 Разработка схемы управления приводом кранового механизма

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА



ВВЕДЕНИЕ

Развитие производительных сил человечества тесно связано со способами получения энергии, необходимой для совершения прежде всего механической работы. На каждый уровень развития общества большое влияние оказывало появление новых типов двигателей. Не является исключением и электрический двигатель, определивший начало широкого применение электрической энергии в конце XIX, которое в дальнейшем получило развитие в XX веке. На сегодняшний день основная часть вырабатываемой электрической энергии потребляется именно электрическим приводом, при этом подавляющая часть электрической энергии преобразуемой электрическими двигателями в механическую работу преобразуется асинхронными двигателями. Асинхронные двигатели получили широкое распространение благодаря ряду присущих им достоинств, среди которых высокая надёжность, относительно низкая стоимость, простота конструкции, низкая материалоёмкость и т.п. На сегодняшний день область применения асинхронных двигателей увеличивается, при этом происходит вытеснение асинхронными двигателями других типов двигателей, прежде всего двигателей постоянного тока. Данное явление наблюдается во многих отраслях человеческой деятельности, даже в тех, которым было не свойственно применение асинхронных двигателей, например, в электрическом транспорте. В данном курсовом проекте рассматриваются вопросы, связанные с проектированием электропривода кранового механизма. Подъемные краны могут быть отнесены к многодвигательному приводу, поскольку механизм передвижения крана, механизм перемещения тележки, механизм подъема и опускания груза приводятся в движение индивидуальными электрическими двигателями. Конструкция крана может определяться спецификой технологического процесса предприятия. Электрооборудование кранов, как правило, эксплуатируется в достаточно тяжёлых условиях: повышенная запыленность и загазованность, повышенная температура или резкие колебания температуры, высокая влажность и т.п. Учитывая всё вышесказанное можно сделать вывод - проектирование механизма мостового крана представляет собой многокритериальную задачу, которая должна учитывать особенности функционирования проектируемого механизма. Для проектирования подобного рода электрического привода разработаны специальные методики и цель настоящего проекта - освоение одной из методик проектирования сложного электропривода.



1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ

1.1 Определение времени работы и нагрузок привода

В первую очередь необходимо определить время пуска привода, при этом предполагаем, что время пуска привода равно времени его торможения. Привод работает под нагрузкой на участках 1 и 2 нагрузочной диаграммы Время пуска и время торможения привода при работе с нагрузкой на участках 1 и 2 определяем как:

(1.1)

Здесь V_н - заданная линейная скорость перемещения груза, согласно исходным данным равная 0,2 м/с; а₁ - ускорение (замедления) при работе с грузом, м/с² согласно исходным данным равное 0,15:

Аналогичным образом определяем время пуска и время торможения привода при работе без нагрузки, что наблюдается на участках 3 и 4 нагрузочной диаграммы:

(1.2)

В последнем выражении а₀ - ускорение( замедления) при работе без груза, м/с, согласно исходным данным равное 0,32.

Определяем время работы привода с установившейся скоростью. Для этого сначала определяем среднюю скорость передвижения привода за время пуска и торможения. На участках 1 и 2:

(1.3)

На участках 3 и 4:

(1.4)

Расстояние, на которое перемещается грузом вместе с грузозахватным устройством в течение времени пуска (торможения) на участках 1 и 2 определяется как:

(1.5)

На участках 3 и 4:

(1.6)

Определяем расстояние, которое преодолевает груз вместе с грузозахватным устройством при установившейся скорости на участках 1 и 2:

(1.7)

Определяем то же самое значение на участке 3 и 4:

(1.8)

В последних двух выражениях H - высота подъёма груза, м. Принимается согласно начальным условиям и составляет 14 м.

Определяем время подъема (опускания) груза вместе с грузозахватным устройством с установившейся скоростью. На участках 1, 2:

(1.9)

На участках 3 и 4:

(1.10)

Таким образом, полное время подъёма на участках 1 и 2 нагрузочной характеристики (рис.1.1) определяется как:

(1.11)

на участках 3 (подъём без груза) и 4 (опускание без груза):

(1.13)

Время работы привода в целом может быть найдено как:

(1.14)

а)

б)

Рисунок 1.1 - Нагрузочная диаграмма (а) и диаграмма изменения скорости (б) привода

1.2 Определение приведённого значения момента на валу двигателя

Определим значение механического момента сопротивления на валу двигателя. Для начала вычислим вес перемещаемого груза на каждом из четырёх участков нагрузочной диаграммы (рис.1.1.). На участке 1 (подъём с грузом):

(1.15)

где G₀ - вес грузозахватного устройства, кН;

G - вес перемещаемого груза, кН.

Согласно исходным данным на проектирование G₀= 19 кН, G=400 кН. Тогда:

На участках 3 и 4 (подъём и опускание без груза) вес перемещаемого груза определяется только весом грузозахватного устройства:

(1.16)

Определяем КПД механической части системы по формуле:

(1.17)

В последнем выражении: - КПД редуктора, о.е, согласно исходным данным равное 0,85; - КПД полиспаста, о.е, равное 0,98; - КПД барабана, о.е., которое составляет 0,94 согласно исходным данным.

Выражение для определения КПД механической части системы (1.17) справедливо для случая, когда электрический привод работает в режиме близком к номинальному, что справедливо для участков 1 и 2 на нагрузочной диаграмме (рис.1.1). Если привод работает в режиме близком к холостому ходу (что характерно для участков 3 и 4 на этом же рисунке), за счёт снижения КПД двигателя в данном режиме, за счёт снижения КПД механических передач и т.п. общий КПД механической части привода снижается и поэтому должен определяться согласно зависимости, приводимой в [3] стр. 125. Для рассматриваемого случая, когда

Согласно зависимости [3] стр. 125:

.

Определяем приведённый механический момент сопротивления нагрузки на участке 1 (подъём с грузом) по формуле:

(1.18)

В выражении (1.18): D_б - диаметр барабана, м, согласно исходным данным равный 0,6; - вес перемещаемого груза на участке 1, найденный ранее по формуле (1.15) и составляющий 419 кН; - КПД механических передач, о.е., рассчитанное согласно соотношению (1.17) и равное 0,783; и - соответственно передаточное число редуктора и полиспаста, о.е, определяемые согласно заданию на проектирование, и . Учитывая всё вышесказанное, по формуле (1.18) находим значение механического момента сопротивления нагрузки на участке 1:

На участке 2 (опускание с грузом), учитывая, что на валу двигателя присутствует активный характер механической нагрузки, приведённый механический момент сопротивления необходимо вычислять по следующей формуле:

(1.19)

Механический момент сопротивления нагрузки на участке 3 (подъём без груза):

(1.20)

Механический момент сопротивления нагрузки на участке 4 (опускание без груза):

(1.21)

По известным значениям механических моментов сопротивления нагрузки на каждом из четырёх характерных участков нагрузочной диаграммы, определённых согласно выражениям (1.21) - (1.23), находим далее эквивалентное (среднеквадратическое) значение механического момента сопротивления нагрузки. В общем виде формула для его определения выглядит следующим образом:

(1.22)

Применительно для случая проектируемого электропривода выражение (1.22) перепишется в следующем виде:

(1.23)

Подставляя числовые значения в выражение (1.23) получаем:

1.3 Определение мощности двигателя

После того, как согласно выражению определено значение эквивалентного механического момента кранового механизма, для дальнейшего выбора электрического двигателя определяем эквивалентное расчётное значение момента, которое больше эквивалентного значения момента на величину коэффициента запаса:

(1.24)

Коэффициент запаса К_з учитывает неизвестные на этапе предварительных расчетов динамические составляющие нагрузки. В данной курсовой работе значение К_з принимаем из диапазона 1,21,5:

Находим действительную продолжительность включения двигателя, в процентах от времени цикла работы привода:

%. (1.25)

Здесь:

t_ц - время цикла работы кранового привода, сек, определяемое согласно заданию на проектирование. В данном случае t_ц = 600 сек;

- расчётное время работы привода, определённое ранее по формуле (1.14) и составляющее 279,8 сек.

Вычисляем требуемую номинальную скорость вращения двигателя:

(1.26)

Определим требуемое значение угловой скорости вращения двигателя:

(1.25)

После определения требуемого значения угловой скорости вращения двигателя и эквивалентного расчётного значения момента по формулам (1.25) и (1.24) соответственно находим эквивалентную расчетную мощность двигателя:

(1.26)

Полученное значение эквивалентной расчетной мощности приводим к мощности двигателей, имеющих стандартную продолжительность включения. В данной курсовой работе необходимо в качестве приводного двигателя выбирать асинхронный двигатель с фазным ротором, имеющий стандартную продолжительность включения ПВст=40 % (см. исходные данные для проектирования).

(1.27)

По известным значениям эквивалентной расчетной мощности и требуемой номинальной скорости вращения, определяемым по формулам (1.27) и (1.24) соответственно, из справочных данных предварительно выбираем асинхронные двигатель с фазным ротором имеющий ближайшие большие значения номинальной мощности и скорости вращения. Выбираем двигатель марки 4MTH355М10, паспортные данные которого приводятся в таблице 1.1.



Таблица 1.1. Паспортные данные предварительно выбранного двигателя марки 4MTH355М10

Наименование параметра	Обозначение	Значение
Номинальная мощность	Рном, кВт	160
Номинальная скорость вращения	nном,об/мин	586
Номинальное напряжение питания	Uном, В	380
Номинальный коэффициент мощности	cos(fi), о.е.	0,61
Номинальный ток статора	Iст, А	392
Номинальный ток ротора	Iрот, А	245
Напряжение ротора	Uрот, В	408
Максимальный момента на валу	Н*м	7310
Момент инерции	J, кг·м2	15



2. УТОЧНЁННЫЙ ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ

2.1 Определение динамического момента двигателя

Предварительно выбранный в п. 1.3. двигатель необходимо проверить по условиям перегрузки и по условиям перегрева. Для этих целей выполняют более детальное построение нагрузочной диаграммы привода с учётом динамических моментов, возникающих при пуске и остановке привода. В общем случае динамический момент привода определяется формулой:

(2.1)

где: - приведённый к ротору момент инерции, учитывающий инерцию всех движущихся частей привода, кгм²;

- угловое ускорение привода при его пуске или торможении, рад/с², которое может быть так же определено следующим способом:

(2.2)

В последней формуле:

a - линейное ускорение (замедление) привода, известное из начальных условий, м/с²;

- радиус приведения, определяемый по заданному в исходных данных значению скорости подъема и опускания груза V_н, а так же определённому в п.1.3 требуемому значению угловой скорости вращения двигателя :

(2.3)

Приведённое значение момента инерции привода в формуле (2.1.1) определяют из соотношения:

(2.4)

Здесь:

J_д - момент инерции ротора выбранного двигателя, кгм², значение которого может быть определено по справочным данным. Для выбранного двигателя марки 4MTH355М10 J_д=15 кгм²;

J_м.п - момент инерции механических передач, учитывающий инерцию движущихся частей редуктора, муфт, барабана, подшипников… В данной работе, ввиду сложности определения его точного значения J_м.п принимаем равным:

(2.5)

m - масса поступательно движущихся частей привода. При подъёме и опускании груза (участки 1 и 2 на нагрузочной диаграмме), когда поступательно перемещается груз и грузозахватное устройство значение m составляет:

(2.6)

При подъёме и опускании без груза (участки 3 и 4 на нагрузочной диаграмме) перемещается только грузозахватное устройство, тогда:

(2.7)

В выражениях (2.6) и (2.7) g - ускорение свободного падения, равное 9,8 кг/м².

Таким образом, на участках 1 и 2 нагрузочной диаграммы, динамический момент при разгоне и торможении определится как:

(2.8)

При этом значение приведённого момента инерции будет равно:

(2.9)

На участках 3 и 4 нагрузочной диаграммы динамический момент и приведённый момент инерции будут равны:

(2.10)

(2.11)

Подставляя числовые значение в (2.8) - (2.11) и определив предварительно радиус приведения :

получаем:

Таким образом, с учётом полученных динамических моментов нагрузочная диаграмма (рис.1.1.1) будет иметь некоторые корректировки. На участке 1 (подъём с грузом):

во время запуска привода будет наблюдаться механический момент:

(2.1.12)

во время установившейся работы будет действовать момент ;

во время торможения:

(2.1.13)

На участке 2 во время запуска привода:

(2.1.14)

во время установившейся работы будет действовать момент ;

во время торможения:

(2.1.15)

На участке 3 во время запуска привода:

(2.1.16)

во время установившейся работы будет действовать момент ;

во время торможения будет действовать момент:

(2.1.17)

На участке 4 во время запуска привода:

(2.1.16)

во время установившейся работы будет действовать момент ;

во время торможения будет действовать момент:

(2.1.17)

Нагрузочная диаграмма привода с учётом корректировок будет иметь вид, представленный на рис. 2.1.1.

Наличие более детальной нагрузочной диаграммы электрического привода позволяет более точно определить эквивалентный (среднеквадратичный) механический момент сопротивления нагрузки. Формулу (1.2.8) при этом можно будет представить в следующем виде:

(2.1.18)

В последнем выражении - коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения во время пуска и остановки двигателя. В данной работе принимаем =0,75. Подставляя числовые значения в формулу (2.1.18) получаем:

2.2 Проверка выбранного двигателя по условиям перегрузки и перегрева

Момент сопротивления, приведённый к стандартному значению:

(2.1.19)

Для удовлетворения двигателя условиям перегрева необходимо выполнение:

М_н М_экв.ст (2.1.20)

где М_н - номинальный момент выбранного двигателя, который может быть определён по номинальной мощности и номинальной скорости вращения ротора выбранного двигателя:

(2.1.21)

Предварительно был выбран двигатель марки 4MTH355М10 и его паспортные данные были указаны в табл. 1.3.1, согласно которым:

Условие (2.1.20) выполняется, что не требует выбора другого двигателя.

2547 2038

Проверка выбранного двигателя по перегрузочной способности предполагает выполнения следующего условия:

(0,81М_КР) М_П1 (2.1.22)

где М_КР - критический (максимальный) момент выбранного двигателя. Для предварительно выбранного двигателя 4MTH355М10 согласно данным таблицы 1.3.1 М_КР= 7310 Нм, при этом М_П1 = 3226 Нм, что удовлетворяет условию (2.1.22).

а)

б)

в)

Рисунок 2.1 - Нагрузочная диаграмма привода без учёта динамического момента (а), график изменения динамического момента привода (б) и нагрузочная диаграмма привода с учётом динамического момента (в)

2.3 Построение механической характеристики двигателя

Одной из основных характеристик электрических двигателей является его статическая механическая характеристика - зависимость скорости вращения ротора от момента на валу. С помощью механической характеристики выполняется определение значений пусковых сопротивлений и пусковых характеристик двигателя. Формула естественной механической характеристики двигателя имеет следующий вид:

(2.3.1)

Где:

U_ф - действующее значение фазного напряжения питания двигателя, равное 220 В;

₀ - синхронная скорость вращения (скорость вращения вращающегося магнитного поля внутри двигателя), рад/сек. Значение ₀ определяется по известному значению частоты питающего напряжения двигателя и числу пар полюсов p, для двигателя 4MTH355М10 равное 3:

(2.3.2)

s - скольжение двигателя, определяемое по известному значению синхронной скорости вращения ₀ и текущему значению скорости вращения ротора :

(2.3.3)

, - соответственно активное и реактивное сопротивления обмотки статора, ом, определяются согласно справочным данным (приложение 2, 3). Для выбранного двигателя 4MTH355М10 .

, - соответственно приведённые значения активного и реактивного сопротивлений обмотки ротора, которые могут быть определены по известным из справочных данных активному и реактивному сопротивлению обмотки ротора и коэффициенту приведения К (приложение 2, 3):

(2.3.4)

(2.3.5)

Для выбранного двигателя 4MTH355М10 ,, К=0,78. Тогда:

Таким образом, определив все значения входящих в формулу (2.3.1) для статической механической характеристики параметров, изменяя значение скольжения в диапазоне от -2 до 2, вычисляем момент двигателя. Результаты расчётов заносим в таблицы 2.3.1 - 2.3.3.

Таблица 2.3.1.

Участок статической механической характеристики двигателя 4MTH355М10 в диапазоне изменения скольжения от -2 до 0 (генераторный режим работы машины).

s, о.е.	-2	-1,8	-1,6	-1,4	-1,2	-1	-0,8	-0,6	-0,4	-0,2
w, рад/сек	188,5	175,9	163,4	150,8	138,2	125,7	113,1	100,5	88,0	75,4
M, Нм	-1054,7	-1172,7	-1320,4	-1510,5	-1764,1	-2119,3	-2651,2	-3531,5	-5241,0	-9522,2



Таблица 2.3.2.

Участок статической механической характеристики двигателя 4MTH355М10 в диапазоне изменения скольжения от 0 до 1 (двигательный режим работы машины).

s, о.е.	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9
w, рад/сек	56,5	50,3	44,0	37,7	31,4	25,1	18,8	12,6	6,3
M, Нм	10234,9	7949,9	5986,8	4726,5	3884,6	3290,1	2850,4	2512,9	2246,0

Таблица 2.3.3.

Участок статической механической характеристики двигателя 4MTH355М10 в диапазоне изменения скольжения от 1 до 2 (режим динамического торможения).

s, о.е.	1	1,2	1,4	1,6	1,8	2	2,2	2,4	2,6
w, рад/сек	0,0	-12,6	-25,1	-37,7	-50,3	-62,8	-75,4	-88,0	-100,5
M, Нм	2030,0	1701,8	1464,5	1285,2	1144,8	1032,1	939,5	862,1	796,5

Рисунок 2.3.1 - Статическая механическая характеристика асинхронного двигателя с фазным ротором 4MTH355М10 при вращении ротора в прямом направлениях

2.4 Построение искусственных механических характеристик двигателя

В данной курсовой работе в качестве приводного двигателя выбирается асинхронный двигатель с фазным ротором, который применяется для привода механизмов имеющих достаточно тяжёлые продолжительные пуски, сопровождающиеся значительными пусковыми токами, протекающими в обмотках двигателя. Для ограничения величины пусковых токов в цепь обмотки ротора асинхронного двигателя включают добавочные сопротивления, значения которых будут определяться ниже согласно графикам искусственных механических характеристик, построение которых выполняется в данном параграфе.

Для анализа пускового режима выбранного асинхронного двигателя с фазным ротором марки 4MTH355М10 выбираем самый тяжёлый момент его запуска - запуск двигателя кранового механизма при подъёме груза (участок 1 на нагрузочной характеристике рис.1.1.1). В процессе запуска развиваемый двигателем механический момент должен изменяться от некоторого максимально допустимого момента М₁ до механического момента необходимого для приведения в движения нагрузки, в данном случае равного М_ст1. Значение М₁ принимаем равным:

М₁ =(0,81)М_max (2.4.1)

где М_max - максимальный (критический) момент выбранного двигателя, определяется из справочных данных (приложение 1) и приводится в таблице 2.1.1.

В процессе запуска асинхронного двигателя с фазным ротором, по мере увеличения скорости его вращения, необходимо уменьшать сопротивление в цепи обмотки ротора. На практике широкое применение получают схемы, в которых сопротивление обмотки ротора изменяется ступенчато. Чем большее количество ступеней применяется в процессе запуска для ограничения пускового тока, тем более плавный пуск будет иметь двигатель, но при этом увеличивается стоимость и сложность схемы управления. Поэтому в каждом отдельном случае принимается некоторое оптимальное число пусковых ступеней, принимаемое на основании нескольких показателей, прежде всего связанных с необходимой плавностью запуска двигателя и допустимой стоимостью привода в целом. В данной курсовой работе допускаем, что оптимальное количество пусковых ступеней должно составлять от 5 до 7.

Для построения искусственных механических характеристик, кроме значения максимально допустимого момента М₁ необходимо определить величину переключающего момента М₂ при достижении которого происходит отключение пусковых сопротивлений в обмотке ротора. Значение М₂ должно находиться в диапазоне от М₁ до М_ст1. Ориентировочно определяем его значение следующим образом:

М₂ =(1,11,2) М_ст1 (2.4.2)

При построении пусковых механических характеристик асинхронного двигателя производим аппроксимацию их рабочих участков прямыми линиями. Первую прямую линию проводим через точку идеального холостого хода (0, ₀) и точку короткого замыкания (М₁, 0) (линия og на рис. 2.4.1). Данная механическая характеристика будет соответствовать случаю, когда включены все пусковые сопротивления. Далее определяем точку пересечения данной прямой с прямой М₂ (точка ₁ на рис. 2.4.1). После этого снова проводим прямую линию, но проходящую через точки (0, ₀) и (₁, М₁) (линия of на рис. 2.4.1), и отмечаем точку пересечения этой линии с прямой М₂ (точка ₂ на рис. 2.4.1). Аналогичным образом выполняем построение прямой oe и отмечаем точку ₃, прямой od и отмечаем точку ₄, , прямой oс и отмечаем точку ₅. Последняя прямая ob должна аппроксимировать рабочий участок естественной механической характеристики и точка ₅ должна соответствовать критической скорости вращения двигателя, значение которой может быть определено как:

(2.4.3)

В последнем выражении - значение критического скольжения двигателя, которое может быть найдено как по справочным данным, так и рассчитано по формуле:

(2.4.4)

Для выбранного двигателя:

Рисунок 2.4.1 - Пусковые механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором 4MTH355М10 при М₁=7310 Нм, М₂=3308 Нм, М_ст1=2756Нм

2.5 Расчёт пусковых сопротивлений двигателя

После того как построены пусковые механические характеристики асинхронного двигателя (рис. 2.4.1) выполняем определение значений сопротивлений для каждой из принятых пяти пусковых ступеней, согласно следующих соотношений:

(2.5.1)

(2.5.2)

(2.5.3)

(2.5.4)

(2.5.5)

В формулах (2.5.1) - (2.5.5) fg, ef , de, cd, bc, ab - отрезки, длина которых определяется из графика (рис.2.4.1); R₂ - сопротивление обмотки ротора выбранного двигателя, определяемое согласно справочным данным (приложения 2, 3), R₂=0,015 Ом. Подставляя числовые значения в формулы (2.5.1) - (2.5.5) получаем:

2.6 Построение характеристик переходного процесса двигателя

В данном параграфе выполняется построение графика изменения момента развиваемого двигателем, графика изменения скорости вращения ротора и графика изменения тока в обмотке ротора во время пуска асинхронного двигателя. Данное построение необходимо для оценки характера переходных процессов в приводе, а так же для определения времени переходного процесса (запуска) двигателя.

Переходный процесс в приводе будет наблюдаться при подаче напряжения питания на двигатель, а так же при отключении ступени пускового сопротивления в цепи обмотки ротора. Закон изменения развиваемого двигателем момента на каждой i-й ступени будет определяться формулой:

(2.6.1)

Где:

и - соответственно начальное и конечное значение пусковых моментов на каждой i-й ступени. , ;

T_мi - постоянная времени для i-й ступени, определяющаяся как:

(2.6.2)

В последней формуле J_ПР - приведённое значение момента инерции привода, определённое ранее по формуле (2.1.9) для участков нагрузочной диаграммы 1 и 2; - конечная скорость вращения ротора, которую должен достигнуть двигатель работая на данной ступени. Значение может быть определено из графика для пусковых механических характеристик (рис. 2.4.1) как значение скорости в точке пересечения прямой и прямой аппроксимирующей механическую характеристику на i-й ступени.

Изменение скорости вращения на каждой i-й ступени запуска двигателя определяется формулой:

(2.6.3)

Здесь:

= - конечная скорость вращения ротора, которую должен достигнуть двигатель, работая на данной ступени (см. рис. 2.4.1);

- начальное значение скорости вращения ротора, для первой ступени , для последующих i-х ступеней (см рис. 2.4.1) т.е. скорость с которой происходит вращение ротора в момент отключения очередной ступени. Значение определяется как точка пересечения прямой и прямой аппроксимирующей механическую характеристику на i-й ступени. Изменение тока ротора на каждой i-й ступени запуска двигателя определяется формулой:

(2.6.4)

Здесь: и соответственно начальное и конечное значение тока в обмотках ротора на i - ступени. и при известных значениях скольжения, соответствующих скоростям вращения ротора в начале и в конце работы на i-й ступени могут быть найдены по формулам:

(2.6.5)

(2.6.6)

(2.6.7)

Рассмотрим закон изменения момента, скорости вращения ротора и тока в обмотке ротора в ходе запуска выбранного в данной работе асинхронного двигателя с фазным ротором марки 4MTH355М10 и имеющего паспортные данные, представленные в табл. 2.1.1.

Первая ступень запуска:

Наименование параметра	Обозначение	Значение
Начальное значение скорости	нач, рад/сек	0,00
Конечное значение скорости	кон, рад/сек	39,14
Начальное значение момента	Мнач, Нм	7310
Конечное значение момента	М кон, Нм	2756,39
Постоянная времени	Т 1, сек	0,052
Начальное значение скольжения	sнач, отн. ед.	1,000
Конечное значение скольжения	s кон, отн. ед.	0,377
Сопротивление цепи ротора	, ом	0,791
Начальное значение тока	, А	296,17
Конечное значение тока	, А	112,23
Начальное значение коэффициента мощности	, о. е.	0,994
Конечное значение коэффициента мощности	, о. е.	0,999
Начальное значение тока (активная составл.)	, А	294,47
Конечное значение тока (активная составл.)	, А	112,14

Вторая ступень запуска:

Наименование параметра	Обозначение	Значение
Начальное значение скорости	нач, рад/сек	34,40
Конечное значение скорости	кон, рад/сек	52,11
Начальное значение момента	Мнач, Нм	7310
Конечное значение момента	М кон, Нм	2756,39
Постоянная времени	Т 1, сек	0,024
Начальное значение скольжения	sнач, отн. ед	0,452
Конечное значение скольжения	s кон, отн. ед	0,171
Сопротивление цепи ротора	, ом	0,358
Начальное значение тока	, А	296,17
Конечное значение тока	, А	112,23
Начальное значение коэффициента мощности	, о. е.	0,994
Конечное значение коэффициента мощности	, о. е.	0,999
Начальное значение тока (активная составл.)	, А	294,47
Конечное значение тока (активная составл.)	, А	112,14

Третья ступень запуска:

Наименование параметра	Обозначение	Значение
Начальное значение скорости	нач, рад/сек	49,97
Конечное значение скорости	кон, рад/сек	57,98
Начальное значение момента	Мнач, Нм	7310
Конечное значение момента	М кон, Нм	2756,39
Постоянная времени	Т 1, сек	0,011
Начальное значение скольжения	sнач, отн. ед	0,205
Конечное значение скольжения	s кон, отн. ед	0,077
Сопротивление цепи ротора	, ом	0,162
Начальное значение тока	, А	296,17
Конечное значение тока	, А	112,23
Начальное значение коэффициента мощности	, о. е.	0,994
Конечное значение коэффициента мощности	, о. е.	0,999
Начальное значение тока (активная составл.)	, А	294,47
Конечное значение тока (активная составл.)	, А	112,14

Четвёртая ступень запуска:

Наименование параметра	Обозначение	Значение
Начальное значение скорости	нач, рад/сек	57,01
Конечное значение скорости	кон, рад/сек	60,64
Начальное значение момента	Мнач, Нм	7310
Конечное значение момента	М кон, Нм	2756,39
Постоянная времени	Т 1, сек	0,005
Начальное значение скольжения	sнач, отн. ед	0,093
Конечное значение скольжения	s кон, отн. ед	0,035
Сопротивление цепи ротора	, ом	0,073
Начальное значение тока	, А	296,17
Конечное значение тока	, А	112,23
Начальное значение коэффициента мощности	, о. е.	0,994
Конечное значение коэффициента мощности	, о. е.	0,999
Начальное значение тока (активная составл.)	, А	294,47
Конечное значение тока (активная составл.)	, А	112,14

Пятая ступень запуска:

Наименование параметра	Обозначение	Значение
Начальное значение скорости	нач, рад/сек	60,20
Конечное значение скорости	кон, рад/сек	61,84
Начальное значение момента	Мнач, Нм	7310
Конечное значение момента	М кон, Нм	2756,39
Постоянная времени	Т 1, сек	0,002
Начальное значение скольжения	sнач, отн. ед	0,042
Конечное значение скольжения	s кон, отн. ед	0,016
Сопротивление цепи ротора	, ом	0,033
Начальное значение тока	, А	296,17
Конечное значение тока	, А	112,23
Начальное значение коэффициента мощности	, о. е.	0,994
Конечное значение коэффициента мощности	, о. е.	0,999
Начальное значение тока (активная составл.)	, А	294,47
Конечное значение тока (активная составл.)	, А	112,14

Выход на естественную механическую характеристику:

Наименование параметра	Обозначение	Значение
Начальное значение скорости	нач, рад/сек	61,64
Конечное значение скорости	кон, рад/сек	62,38
Начальное значение момента	Мнач, Нм	7310
Конечное значение момента	М кон, Нм	2756,39
Постоянная времени	Т 1, сек	0,001
Начальное значение скольжения	sнач, отн. ед	0,019
Конечное значение скольжения	s кон, отн. ед	0,007
Сопротивление цепи ротора	, ом	0,015
Начальное значение тока	, А	296,17
Конечное значение тока	, А	112,23
Начальное значение коэффициента мощности	, о. е.	0,994
Конечное значение коэффициента мощности	, о. е.	0,999
Начальное значение тока (активная составл.)	, А	294,47
Конечное значение тока (активная составл.)	, А	112,14

После определения начальных и конечных значений параметров в формулах (2.6.1), (2.6.3) и (2.6.4) изменяя значение текущего времени t выполняем построение графиков изменения момента, тока и скорости во время пуска асинхронного двигателя (рис. 2.6.1), после чего, используя полученные графики, определяем время переходного процесса в приводе. В данном случае время разгона привода составляет 2,4 секунды.



а)

б)

в)

Рисунок 2.6.1 - Графики изменения момента (а), скорости вращения ротора (б) и тока ротора (в) при запуске асинхронного двигателя с фазным ротором



2.7 Разработка схемы управления приводом кранового механизма

В данной курсовой работе предлагается схема управления крановым электроприводом, выполненная на базе контроллера типа ТСА, которая обладает следующими особенностями:

- в схеме предусмотрена несимметричная относительно нулевого положения диаграмма замыкания контактов командоконтроллера, что обеспечивает при подъеме и спуске груза различные механические характеристики электропривода согласно с несимметричным характером нагрузок подъемных лебедок;

- предусмотрено использование режима однофазного включения двигателя в целях улучшения условий регулирования скорости при опускании груза;

- в предлагаемой схеме необходимые защиты и блокировки осуществляются с помощью защитной панели типа ПЗКБ, общей для всех электроприводов крана.

- в предлагаемой схеме нулевой контакт К1 командоконтроллера включается в схему защитной панели для нулевой блокировки. Контакты К2 и К8 обеспечивают избирательное движение выключателей SQ1 и SQ2 ограничивающих ход механизма. Конечная защита в данном случае воздействует не на цепь катушки контура защитной панели, а снимает непосредственно напряжение с цепей управления данного магнитного контролера. При недопустимом подъеме грузозахватного устройства контакт конечного выключателя SQ1 размыкается и обесточивает все цепи управления двигателем, отвечающие за управление подъёмом груза. Следующая подача напряжения возможна только при установке командоконтроллера в положении 4 спуск. В этом положении контакт К8 шунтирует разомкнутый контакт выключателя SQ1.

В нулевом положении командоконтроллера напряжение поступает на диодный мост VD1 - VD4 при этом реле КТ1 включено и через его катушку и нормально замкнутый контакт КМ7 протекает постоянный ток. Остальные аппараты схемы при этом отключены. При установке командоконтроллера в положение 1-подъем подается питание на контакторы КМ1, КМ4 и КМ5, при этом на статор двигателя поступает напряжение при одновременном включением электромагнитного тормоза, освобождающем тормозной шкив.

При включении контактор КМ5 своим замыкающим вспомогательным контактом через контакт КМ4 подает питание на реле КТ5. Одновременно с выключением КМ1 происходит выключение КМ10, который своими главными контактами замыкает первую ступень реостата в роторной цепи управляемого асинхронного двигателя.

При переключении командоконтроллера в положения 2, 3 и 4 происходит последовательное срабатывание контакторы КМ6 - КМ9, при этом добавочное сопротивление в цепи ротора снижается.

Реле времени КТ2 предназначено для разрешения выключения двигателя при спуске только, если командоконтроллер включён в положении 3. В данном положении замыкается контакт К7, и при этом получает питание контактор однофазного включения КМ3, который включает своим вспомогательным контактом реле КТ2, после этого он остается включенным в любом другом положении при спуске. Реле времени КТ2 подаёт питание на контактор КМ5, при этом электромагнит тормоза подключается к сети, и колодки тормоза освобождают тормозной шкив. В роторной цепи при положении командоконтроллера в позиции 3(спуск) замыкаются контакты контактора КМ6, но при этом остающиеся ступени имеют значительное сопротивление, и двигатель работает только в тормозном режиме на характеристике динамического торможения.

Переключение командоконтроллера из положения 3 в положение 2 (спуск), происходит отключение КМ3, катушка контактора КМ1 получает питание через контакты КТ2, КМ6, КМ7 и КМ2. Контактор КМ2 при этом отключится, статор двигателя подключится к сети в направлении подъема. В этом режиме (режиме противовключения) двигатель предназначен для тормозного спуска средних грузов.

В положении 1(спуск) происходит срабатывание контактора КМ10, сопротивление роторной цепи снижается, что обеспечивает получение характеристик, необходимых для тормозного спуска тяжелых грузов.

Если перевести рукоятку из положения 3 в положение 4-спуск, включаются контакторы КМ2 и КМ4, при этом статор управляемого двигателя подключается к сети в направлении спуска, в этом случае имеет место спуск грузозахватного устройства.

Рисунок 2.7.1 - Схема управления крановым электроприводом



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсового проекта было выполнено проектирование электропривода для кранового механизма, которое включало в себя решение следующих задач:

1) предварительное определения нагрузок и времени функционирования электропривода на базе нагрузочной диаграммы и диаграммы скорости, по которым было произведено предварительное определение эквивалентного (среднеквадратического) значение момента на валу двигателя и значение мощности, приведённое к мощности двигателя, предназначенного на стандартную продолжительность работы с ПВ_ст=40 %. Был предварительно выбран двигатель марки 4MTH355M10;

2) уточнение нагрузочной диаграммы с учётом динамического момента, необходимого для обеспечения заданных ускорений и замедлений привода. С помощью данной нагрузочной диаграммы была произведена проверка выбранного двигателя марки 4MTH355M10 по условиям перегрузки и перегрева. На основании результатов данных проверок был сделан вывод о том, что мощности двигателя марки 4MTH355M10 достаточно.

3) для выбранной марки двигателя 4MTH355M10 были построены естественные статические механические характеристики для прямого и реверсивного пуска, были построены искусственные характеристики, необходимые для определения значений пусковых сопротивлений;

4) построены графики изменения значений развиваемого двигателем механического момента, скорости вращения ротора и тока ротора в ходе переходного процесса. В качестве переходного процесса рассматривался запуск двигателя при подъёме с грузом, самый тяжелый режим запуска двигателя. Построение графиков изменения тока ротора, скорости вращения двигателя и развиваемого им механического момента был необходим для анализа характера переходных процессов в приводе при его запуске, а так же для определения времени запуска двигателя.

5) предложен вариант схемы управления электрическим приводом контроллера типа ТСА.

В целом предложенная схема автоматизированного электропривода, разработанная в ходе курсового проектирования, удовлетворяет требованиям исходных данных



ЛИТЕРАТУРА

1. Москаленко В.В. Системы автоматизированного управления электропривода / В В. Москаленко. - М: Инфра-М. - 2013.

2. Москаленко В. В. Системы автоматизированного управления электропривода / В. В. Москаленко. - М: Инфра-М. - 2010.

3. Невраев В. Ю. Системы автоматизированного электропривода переменного тока / В. Ю. Невраев. - М: Книга по требованию. - 2012.

4. Свириденко П.А., Шмелев А.Н. Основы автоматизированного электропривода / П.А. Свириденко, А.Н. Шмелев. М: Книга по требованию. - 2012.

5. Гульков Г., Петренко Ю., Раткевич Е., Симоненкова О. Системы автоматизированного управления электроприводами / Г. Гульков, Ю.Петренко, Е. Раткевич, О. Симоненкова. - М: Новое знание. - 2007.

6. Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов Л.Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов / М. П. Белов, В. А. Новиков, Л. Н. Рассудов. - М: Академия. - 2007.

Размещено на Allbest.ru