Проектирование электропривода грузоподъемного механизма

КУРСОВОЙ.docx

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Вологодский государственный университет»
Электроэнергетический факультет
Кафедра электрооборудования
Дисциплина: «Электрический привод»
Наименование темы: «Проектирование электропривода грузоподъемного механизма»
Руководитель Иванов Андрей Викторович
Группа курс ЭО-41 4 курс
(подпись преподавателя)
ПОСТРОЕНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ МЕХАНИЗМА
РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ МОМЕНТОВ
РАСЧЕТ ПРИВЕДЕННОГО СТАТИЧЕСКОГО МОМЕНТА
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР СКОРОСТИ И МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
ПРИВЕДЕНИЕ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ МАСС
РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ МОМЕНТОВ
ПОСТРОЕНИЕ ТАХОГРАММЫ И НАГРУЗОЧНОЙ ДИАГРАММЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
ПРОВЕРКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПО НАГРЕВУ И ПЕРЕГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ
ПОСТРОЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ВЫБОР СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
ПОСТРОЕНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Понятие электрический привод или электропривод имеет двойное значение. Во-первых это устройство предназначенное для приведения в движение рабочего органа машин и механизмов и состоящее из электродвигателя передаточного устройства преобразовательного устройства и устройства управления. Во-вторых это сам процесс приведения в движение рабочего органа посредством преобразования электрической энергии.
Электропривод является конечным звеном систем передачи механической энергии на расстояние которые включают в себя источник механической энергии электромеханический преобразователь (электрогенератор) систему передачи и распределения электрической энергии и наконец электропривод.
Современный электропривод является индивидуальным автоматизированным электроприводом. Он включает в себя систему автоматического управления (САУ) которая в простейшем случае осуществляет пуск и останов электродвигателя а в более сложных случаях управляет технологическим процессом приводимого в движение исполнительного механизма.
Мощность автоматизированного электропривода охватывает диапазон от нескольких долей ватта до десятков тысяч киловатт.
Автоматизированный электропривод делится на управляемый и неуправляемый постоянного переменного тока транзисторный и тиристорный. До недавнего времени в качестве регулируемого электропривода применялся электропривод постоянного тока. В последние годы значительные успехи в силовой преобразовательной технике привели к созданию надежных регулируемых транзисторных и тиристорных электроприводов переменного тока. Так как двигатели переменного тока имеют неоспоримые преимущества перед двигателями постоянного тока (они значительно дешевле надежнее имеют лучшие массогабаритные показатели и относительно простую конструкцию) в ближайшие годы ожидается бурное развитие управляемого электропривода переменного тока. Этому способствует широкое внедрение в управляемый электропривод микропроцессорной техники.
Исходные данные для расчета:
m0 – грузоподъемность;
m2 – масса противовеса;
а – ускорение кабины.
При расчёте будем руководствоваться следующими допущениями:
а) в начале рабочего цикла кабина находится на первом этаже её двери закрыты;
б) во время движения кабина проходит максимальный путь причём поднимается полностью загруженной а опускается пустой.
На рисунке 1 приведена кинематическая схема механизма в исходном состоянии.
Рисунок 1 - Кинематическая схема с указанием статических моментов и сил
Сила тяжести действующая со стороны кабины с грузом:
Сила тяжести действующая со стороны кабины без груза:
Сила тяжести действующая со стороны противовеса:
Статический момент действующий на валу шкива с грузом:
Статический момент действующий на валу шкива без груза:
Статический момент действующий на промежуточном валу редуктора:
Статический момент действующий на валу двигателя:
Приведенный момент действующий на валу двигателя определяется из закона сохранения мощности
Приведенный статический момент действующий на валу двигателя при движении с грузом:
Приведенный статический момент действующий на валу двигателя при движении без груза:
Определим угловую скорость на валу редуктора:
Скорость на валу двигателя
Предварительно определяем требуемую мощность двигателя:
где Kз– коэффициент запаса Kз=13.
Обоснование выбора электродвигателя.
Асинхронные двигатели обладают большими преимуществами перед другими электродвигателями: стабильность частоты вращения малая масса и габариты большей срок службы высокое К.П.Д. малая шумность легкость в обслуживании.
Предварительно выбираем асинхронный электродвигатель типа 4А132S4У3 со следующими номинальными параметрами:
P = 75 кВт;Jдв =0028 кгм2;mп =22;mк = 3; Sн = 29%;Sк = 195%;
cosφн = 086; н1 = 875%;XМ = 3;R1 = 0048; X1 = 0085; R2 = 0033; X2 = 013; n0 = 1500 обмин.
Выполняется исходя из закона сохранения кинетической энергии:
Суммарный момент инерции при движении кабины с грузом:
Суммарный момент инерции при движении пустой кабины:
Рассчитываем динамические моменты возникающие во всех возможных переходных процессах:
Угловое ускорение на шкиве:
Угловое ускорение на промежуточном валу редуктора:
Угловое ускорение на валу двигателя:
Угловое ускорение при торможении на валу двигателя:
) Подъем кабины с грузом.
Динамический режим при пуске:
Динамический режим при торможении.
)Спуск кабины с грузом.
)Подъем пустой кабины.
)Спуск пустой кабины.
Построение тахограммы.
Полное время цикла:
N - число циклов в час.
Принимаем N = 40 цикловчас.
Продолжительность включения - принимается стандартное значение.
Время движения с установившийся скоростью:
Построение нагрузочной диаграммы.
На основании основного уравнения движения электропривода
определяем величину момента на валу двигателя во всех возможных режимах работы
)Подъем с грузом. – пуск;– установившийся режим;– торможение.
)Спуск с грузом. – пуск;– установившийся режим;– торможение.
)Подъем без груза. – пуск;– установившийся режим;– торможение.
)Спуск без груза. – пуск;– установившийся режим;– торможение.
)Подъем кабины с грузом.
)Спуск кабины с грузом.
)Подъем кабины без груза.
Тахограмма и нагрузочная характеристика приведены в приложении А.
Эквивалентный момент нагрузки:
Уточняем требуемую мощность двигателя.
Мощность выбранного двигателя достаточна.
Проверка двигателя по нагреву:
Выбранный двигатель проходит по условиям нагрева если выполняется следующее условие:
Mк– критический момент двигателя.
Mmах– максимальный момент нагрузки определяемый из нагрузочной диаграммы.
– номинальный момент двигателя.
– кратность критического момента.
Проверка двигателя по перегрузочной способности:
Выбранный двигатель проходит по условиям перегрузки если выполняется условие:
Мп.д. – пусковой момент двигателя;
Мп.нг. – наибольший пусковой момент нагрузки определяемый из нагрузочной диаграммы.
– кратность пускового момента.
Естественной механической характеристикой называется зависимость = f(M) построенная при номинальных параметрах источника питания.
Воспользуемся упрощенной формулой Клосса.
где Sк– критическое скольжение выбранного двигателя.
Угловую частоту вращения ротора будем рассчитывать по формуле:
Задаваясь различными значениями скольжения s в диапазоне S= (0 1) определяем соответствующие значения момента и частоты вращения.
Рисунок 2 - Естественная механическая характеристика
Частотное регулирование позволяет устранить один из существенных недостатков электродвигателей с короткозамкнутым ротором – постоянную частоту вращения ротора электродвигателя не зависящую от нагрузки. Частотное регулирование создает возможность управления скоростью электродвигателя в соответствии с характером нагрузки. Это в свою очередь позволяет избегать сложных переходных процессов в электрических сетях обеспечивая работу оборудования в наиболее экономичном режиме.
Частотное регулирование электродвигателя эффективно используют на промышленных предприятиях в области энергетики коммунальном хозяйстве и других сферах. Это связано с тем что частотное регулирование позволяет автоматизировать производственные процессы экономично расходовать электроэнергию и другие задействованные в производстве ресурсы повышать качество выпускаемой продукции а также увеличивать надежность работы всей системы в целом.
Частотное регулирование также позволяет улучшить безотказность работы и долговечность технологической системы. Это обеспечивается за счет снижения пусковых токов устранения перегрузок элементов системы и постепенной выработки моточасов оборудования. Для частотного регулирования используются частотные преобразователи со встроенными в них ПИД-регуляторами (пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы) обеспечивающими точное регулирование заданных технологических параметров.
Преобразователи частоты в отличие от других устройств регулирования скорости двигателя таких как гидравлическая муфта система генератор-двигатель механический вариатор позволяют избегать различных недостатков в работе системы. Речь идет об узком диапазоне регулирования оборудования сложностях с его эксплуатацией низким качеством производимых работ и неэкономичности всей системы.
Таблица 1 – Типы преобразователей частоты фирмы Mitsubishi
Выбранный асинхронный электродвигатель имеет мощность 75 кВт поэтому выбираем преобразователь частоты марки FR-A540-75K.
Для защиты электродвигателя и преобразователя частоты от токов короткого замыкания необходимо установить автоматический выключатель. Для данного электрооборудования подходит автоматический выключатель IEK ВА 47-29 1Р 20А. Его характеристики представлены в таблице 3.
Таблица 2- Характеристики автоматического выключателя
Номинальное напряжение
Температура эксплуатации
Электрическая износостойкость
Механическая износостойкость
Рис.3 - Схема подключения преобразователя частоты к питающей сети
Таблица 3 – Описание силовых клемм
Преобразователи частоты предназначены для регулировки частоты вращения и момента на валу асинхронного или синхронного электродвигателя. Преобразователь частоты – это прибор предназначенный для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты (обычно частоты питающей сети) в переменный ток (напряжение) другой частоты. Выходная частота в современных инверторах может быть как ниже так и выше частоты питающей сети.
Схема любого преобразователя частоты состоит из силовой и управляющей частей. Силовая часть преобразователей выполнена на транзисторах IGBT работающих в режиме электронных ключей. Схема управления выполняется на цифровых микроконтроллерах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами а также решение большого количества вспомогательных задач (защита контроль диагностика). Частотные инверторы Частотный регулятор имеет структуру с явно выраженным блоком постоянного тока (выпрямитель + фильтр) что проиллюстрировано на рисунках 7 и 8.
В преобразователях этого типа используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в трехфазном или однофазном выпрямителе сглаживается LC-фильтром а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение регулируемой частоты и амплитуды.
Рис. 4. Структурная схема частотных преобразователей
со звеном постоянного тока
Рис. 5. Временные диаграммы работы частотного преобразователя
Преобразователи частоты на транзисторах IGBT по сравнению с тиристорными при одинаковой выходной мощности отличаются меньшими габаритами сниженной массой и повышенной надежностью в силу модульного исполнения электронных ключей и лучшего отвода тепла с поверхности силового модуля. Они имеют более полную защиту от бросков тока и от перенапряжения что существенно снижает вероятность повреждений и отказа электропривода.
Более подробно принцип работы частотного инвертора показан на рис.8. В верхней части рисунка 8 приведены графики напряжений на выходе каждого каскада преобразователя.
Напряжение питающей сети с постоянной частотой и амплитудой (Uвх= fвх=const) поступает на трехфазный или однофазный выпрямитель. Выпрямитель и фильтр входят в состав блока постоянного тока основное назначение которого – получить на выходе постоянное напряжение с малыми пульсациями которое используется для питания преобразователя частоты. Инвертор преобразует постоянное напряжение в трехфазное напряжение с переменной частотой и изменяемой амплитудой. Схема управления формирует сигналы для коммутации обмоток электродвигателя в нужные моменты времени. Импульсы коммутации каждой обмотки в пределах периода модулируются по синусоидальному закону. Максимальную ширину импульсы имеют в середине полупериода. К началу и к концу полупериода ширина импульсов уменьшается. Таким образом схема управления формирует широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения которое подается на обмотки электродвигателя. В некоторых случаях к выходам преобразователя частоты подключается фильтр но в частотных инверторах на транзисторах IGBT необходимость в выходном фильтре практически отсутствует. Таким образом на выходе инвертора формируется трехфазное напряжение переменной частоты и амплитуды (fвых= Uвых=Var) которое и задает нужную частоту вращения и требуемый момент на валу двигателя.
Схемы управления двигателем
Схемы управления двигателем можно разделить на три основных типа:
управление по закону Uf (регулировка отношения напряжения к частоте или вольт-частотное регулирование);
векторное управление полем электродвигателя;
прямое управление моментом на валу двигателя.
Схемы управления перечислены по возрастанию функциональности и цены. Во многих случаях в инверторах используются схемы управления нескольких типов. В большинстве случаев достаточно первых двух типов управления но при больших перегрузках и широком диапазоне изменения нагрузки на валу двигателя необходимо прямое управление моментом.
Уравнение механической характеристики:
– фазное напряжение статора
– активное сопротивление обмотки статора;
– индуктивное сопротивление обмотки статора;
- активное приведенное сопротивление обмотки статора;
- индуктивное приведенное сопротивление обмотки статора;
– число пар полюсов.
Для перевода величин сопротивления обмоток двигателя в абсолютные единицы воспользуемся формулами приведения:
Номинальный ток протекающий по обмотке статора определяем по формуле:
Угловую частоту вращения ротора рассчитываем по формуле:
Задаваясь различными значениями скольжения S в диапазоне
S=(0 1) определяем соответствующие значения момента и частоты вращения. Искусственные механические характеристики АД при управлении по закону Uf=const для f = 30; 40; 50 Гц и соответствующей требуемой скорости приведены на рисунке 5.
Рисунок 6 - Искусственные механические характеристики
Совокупность всех элементов информационного канала участвующих в процессе управления называется системой управления электропривода. В зависимости от количества каналов передачи информации между устройством управления и объектом управления все системы делятся: на разомкнутые и замкнутые. В разомкнутых системах алгоритм управления реализуется управляющим устройством без наличия информации о текущем состоянии объекта управления и существует только один канал передачи информации – управляющих воздействий от устройства управления к объекту управления. Таким образом в разомкнутых системах отсутствует контроль за фактическим изменением регулируемых координат. Главный недостаток разомкнутых систем – управление «вслепую». Устройство управления может продолжать выполнение функций даже тогда когда произошёл отказ в исполнительном механизме.
Повысить качество работы и надёжность системы управления можно снабдив её информационно-измерительной системой добавив канал передачи информации от этой системы к устройству управления то есть введя обратную связь. Такие системы управления называются замкнутыми.
Наибольшее применение получили два типа построения замкнутых систем регулирования: с общим суммирующим усилителем и с n последовательными суммирующими усилителями – системы подчинённого регулирования с последовательной коррекцией.
Отличительной особенностью систем первого типа является наличие одного суммирующего усилителя на вход которого подаётся алгебраическая сумма задающего сигнала и всех обратных связей. Выходной сигнал усилителя таким образом зависит сразу от нескольких переменных что делает практически невозможным регулирование какой-то одной переменной независимо от других.
Для разделения действий обратных связей применяют отсечки (блоки нелинейности). Но и в этом случае единственный задающий сигнал не определяет заданного значения выбранной для регулирования переменной. Придание системе требуемых динамических свойств при таком построении обычно достигается применением сложных корректирующих устройств включаемых в цепь сигналов управления при малой мощности управления (последовательная коррекция) или параллельно некоторым блокам системы (параллельная коррекция). При этом нельзя осуществить независимую настройку качества регулирования всех переменных. В целом получить требуемое или оптимальное качество регулирования в таких системах крайне затруднительно а в ряде случаев и невозможно.
Система подчинённого регулирования состоит из ряда контуров число которых равно числу регулируемых переменных или постоянных времени системы причём каждый внутренний контур регулирования подчинён следующему по порядку внешнему (по отношению к внутреннему контору). Эта подчинённость выражается в том что заданное значение регулируемой переменной любого внутреннего контура определяется выходным сигналом регулятора следующего по порядку контура. В итоге все внутренние контуры работают как подчинённые задаче регулирования выходной координаты системе. Каждый контур строится по отклонению (по ошибке) и имеет свою обычно жёсткую отрицательную обратную связь по регулируемой переменной и свой регулятор (суммирующий усилитель). Для каждого внешнего контура внутренний контур входит в состав объекта регулирования.
В системе подчинённого регулирования появляется возможность раздельного регулирования переменных и раздельной настройки контуров а также коррекция переходных процессов в каждом контуре что существенно упрощает как техническую реализацию коррекции так и практическую настройку системы.
Для разрабатываемого электропривода как имеющая безусловные преимущества будет синтезироваться замкнутая система автоматического управления по принципу подчинённого регулирования.
Синтез системы автоматического управления.
В разрабатываемом электроприводе лифта есть реальная необходимость регулирования только одной координаты – скорости. Это связано с тем что к скорости а также её изменению во времени (ускорению) предъявляются жёсткие регламентирующие требования со стороны технологического процесса. Так скорость кабины лифта а соответственно и двигателя при пуске должна плавно нарастать до установившегося значения причём темп её нарастания определяемый ускорением не должен превышать допустимого значения.
Под синтезом системы автоматического управления подразумевается введение обратной связи и расчёт регулятора для управляемой координаты. В нашем случае будет вводиться отрицательная обратная связь по скорости и регулятор скорости. Для их расчёта необходимо математически описать силовую часть электропривода включающую преобразователь двигатель и механическую часть.
Преобразователь частоты описывается уравнением
где – синхронная угловая скорость двигателя;
– коэффициент передачи преобразователя частоты;
– напряжение управления.
Из этого уравнения передаточная функция преобразователя частоты определится как
Коэффициент передачи преобразователя частоты найдём из формулы
где – коэффициент передачи по частоте.
– максимальное напряжение управления .
Математическое описание асинхронного двигателя соответствует уравнению.
Отсюда передаточная функция асинхронного двигателя имеет вид
где – момент на валу двигателя;
– модуль жёсткости естественной характеристики асинхронного
– электромагнитная постоянная времени;
– угловая частота вращения вала двигателя.
Модуль жёсткости естественной характеристики асинхронного двигателя
Электромагнитная постоянная времени асинхронного двигателя
Механическая часть привода описывается уравнением
Тогда передаточная функция механической части привода
По передаточным функциям построим структурную схему разомкнутой системы приведённую на рисунке 4.
Рисунок 7 - Структурная схема разомкнутой системы
Добавив отрицательную обратную связь по скорости и регулятор скорости к структурной схеме разомкнутой системы управления получим структурную схему замкнутой системы управления для расчёта контура регулирования скорости изображённую на рисунке 7.
Рисунок 8 - Структурная схема замкнутой системы управления для расчёта контура регулирования скорости
Механическая постоянная двигателя
При Тm> 4Тэ применяем ПИ-регулятор скорости и настраиваем систему на технический оптимум. Статические ошибки по задающему и возмущающему воздействиям при этом будут отсутствовать. Передаточная функция системы будет иметь вид
где – некомпенсируемая постоянная времени
Коэффициент обратной связи по скорости
где – управляющее напряжение задатчика интенсивности соответствующее номинальной скорости
Определяем передаточную функцию ПИ-регулятора.
Определяем постоянные времени:
Коэффициент усиления:
Структурная схема замкнутой системы управления приведена на рисунке 10. Структурная схема разомкнутой системы управления приведена на рисунке 9.
Рисунок 9 - Структурная схема разомкнутой системы управления
Рисунок 10 - Структурная схема замкнутой системы управления
Используя полученную математическую модель электропривода в программе МВТУ получим графики переходных процессов (динамические характеристики).
Рисунок 11 - График переходного процесса по моменту с регулятором скорости
Рисунок 12 - График переходного процесса по скорости с регулятором скорости
Рисунок 13 - График переходного процесса по моменту разомкнутой системы
Рисунок 14 - График переходного процесса по скорости разомкнутой системы
В ходе выполнения курсового проекта мной был разработан электропривод грузоподъемного механизма. По найденным мощности и скорости вращения определен асинхронный двигатель серии A4 преобразующий электрическую энергию в механическую энергию вращения вала. По параметрам двигателя подобран соответствующий преобразователь частоты FR-A540-75K. Технические характеристики преобразователя приведены в таблицах 1 и 2.. В завершении проекта я спроектировал систему управления электроприводом и получил графики переходных процессов представленные на рисунках 1112 1314.
Ключев В.И. Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: Учебник для вузов.-М.:Энергия1980.-360с.
Соколов М.М. Автоматизированный электропривод общепромышленных механизмов.- М.: Энергия 1976.-488с.
Асинхронные двигатели серии 4А: справочник А.Э. Кравчик М.М. Шлаф В.И. Афонин Е.А. Соболевская.- М.: Энергоатомиздат198.-503с.
Справочник по электрическим машинам: В 2 т.Под общей редакцией И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т.1.-М.: Энергоатомиздат1988.-456с.
Ильинский Н.Ф. Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. -М.: Энергия 1983.-352с.
Ключев В.И. Теория электропривода: М.: Энергоатомиздат 1985.-560с.
Чиликин М.Е. Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учебник для вузов.- 6-е изд. перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат 1981.-576 с.
Чиликин М.Е. и др. Теория автоматизированного электропривода: Учебное пособие для вузов Чиликин М.Е. КлючевВ.И. Сандлер А.С.-М.: Энергия 1979.-616с.