Автоматизированный электропривод (стр. 1 )

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ

ЭЛЕКТРОПРИВОД

Учебное пособие

Омск 2006

УДК 62-83

ББК 31.291я 73

А22

Рецензент:

, д-р техн. наук, профессор,

зав. каф. НВФ ТюмГНГУ

Автоматизированный электропривод: Учеб. пособие / , , . Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. 70 с.

Задачей настоящего учебного пособия является помощь студентам в выполнении курсового проекта по дисциплине «Автоматизированный электропривод». Содержит рекомендации по самостоятельной работе с технической литературой и основные справочные данные, необходимые для проектирования системы автоматизированного электропривода конкретного технологического оборудования. Приведен пример оформления курсового проекта.

Предназначено для студентов специальностей 140610 и 080801 очной, очно-заочной и заочной форм обучения.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ОмГТУ.

УДК 62-83

ББК 31.291я 73

© Авторы, 2006

© Омский государственный

технический университет, 2006

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

1.1. Введение

Курсовой проект по дисциплине «Автоматизированный электропривод» выполняется студентами специальностей 140610 «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений», 080801 «Прикладная информатика в электрооборудовании и электрохозяйстве предприятий, организаций и учреждений».

Целью курсового проекта является закрепление и систематизация знаний по дисциплине «Автоматизированный электропривод» для самостоятельного решения комплексной задачи проектирования электропривода по заданным техническим условиям.

Задачами настоящего учебного пособия является помощь студентам в выполнении курсового проекта и рекомендации по решению основных вопросов при самостоятельной работе с технической литературой.

Выполнение курсового проекта является заключительным этапом изучения дисциплины «Автоматизированный электропривод» и предполагает применение полученных знаний к решению часто встречающихся практических задач по расчету параметров электропривода. Курсовое проектирование связано с проектированием системы автоматизированного электропривода для конкретного технологического оборудования. Автоматические устройства, разрабатываемые в названном курсовом проекте, относятся как к отдельным машинам и механизмам, так и к устройствам комплексной механизации и автоматизации. В последнем случае выполняется лишь заданная часть общего проекта комплексного устройства.

Курсовой проект рассчитан на 40-60 часов самостоятельной работы студента.

Расчетная (пояснительная) записка к проекту должна быть краткой и содержать все нужные записи: расчеты, схемы, таблицы, графики, разработки и выводы. Общий объем записки – 30-35 страниц.

При оформлении пояснительной записки студент должен рассматривать проект как выполнение инженерного задания. Поэтому все пояснения и описания должны быть четкими, предельно ясными, со ссылкой на чертежи и рисунки, соответствующие формулы и литературу.

Пояснительная записка и графическая часть должны быть выполнены в соответствии с требованиями ГОСТ и правил ЕСКД. Нумерация разделов пояснительной записки осуществляется арабскими цифрами (1, 2, 3 и т. д.). Нумерация формул осуществляется по порядку в пределах одного раздела (например: (1.1), (1.2) и т. д., (2.1), (2.2) и т. д.) Ссылка на литературу в тексте пояснительной записки производится в соответствии с номером библиографии и заключается в квадратные скобки (например: [1], [2]).

Расчетные формулы необходимо писать вначале в общем виде, а затем с проставленными числовыми значениями. В конце каждой расчетной формулы обязательно указать номер формулы, размерность полученных величин указать в пояснениях к формулам в системе СИ. Результаты повторяющихся расчетов, включая промежуточные вычисления, представляются в табличной форме. Нумерация таблиц производится по порядку в пределах каждого раздела. В правом углу таблицы указывается, например: "Таблица 2.1" и ниже – ее название. В пояснительной записке не допускаются сокращения слов, за исключение общепринятых, например: ЭДС, КПД и др.

Графики выполняются на листах миллиметровой бумаги. Масштабы должны выбираться так, чтобы было удобно анализировать представленные зависимости.

Все рисунки должны быть пронумерованы в пределах раздела и иметь пояснительную подпись, а в тексте должны быть сделаны на них ссылки.

В начале расчетно-пояснительной записки помещается титульный лист, выполненный по приведенному образцу. За титульным листом помещается задание и лист с содержанием записки, состоящим из перечня всех разделов с указанием соответствующих страниц. В конце записки приводится список использованной литературы: фамилия автора, его инициалы, название работы (книги, статьи), город издательства (для статей – название журнала и его номер), год издания, количество страниц.

Дополнительно к пояснительной записке студент выполняет чертежи на одном-двух листах формата А1, показывающие, как владеет студент инженерными методами изображения схем и кривых. Материал из записки на листы выносится по указанию преподавателя-консультанта, но таким образом, чтобы он отражал наиболее характерные части проекта (механические характеристики на всех ступенях пускового устройства, графики переходных процессов, принципиальная схема автоматического управления двигателем производственного механизма и др.).

Задание на курсовой проект выдается на первой неделе семестра. Студентам выдается индивидуальное задание на выполнение курсового проекта, в котором указываются номера вариантов и номера заданий. Срок окончания и защита – 13-я неделя. Курсовой проект выполняется студентом самостоятельно с использованием консультаций преподавателя. Посещение консультаций для студентов является обязательным, независимо от того, имеются у него вопросы к преподавателю или нет. На консультации студент получает дополнительные методические указания и ответы на возникшие вопросы. Одновременно на консультации проверяется выполнение графика работ по заданию. Оконченный проект преподаватель (консультант) подписывает перед защитой.

Проверенный и подписанный преподавателем курсовой проект защищается студентом перед комиссией, состоящей из двух-трех преподавателей. Автор проекта делает доклад продолжительностью 5–10 минут и отвечает на вопросы комиссии. При оценке курсового проекта особое внимание уделяется обоснованию принятых решений, ясному и глубокому представлению о физических процессах, протекающих в приводе при различных режимах работы, а также оформлению проекта.

В курсовом проекте объектом расчета является разомкнутая система электропривода с машиной на переменном токе, приводящая в движение производственный механизм.

В задания на курсовой проект указываются:

· технические данные производственного механизма;

· кинематическая схема;

· описание технологического процесса работы механизма;

· указание для расчета режимов работы и параметров электропривода.

Ниже кратко описывается общий ход проектирования, однако в отдельных случаях могут допускаться некоторые отклонения от рекомендованной методики.

Прежде всего, студент должен ознакомиться с объектом автоматизации, автоматическое управление которого (или его части) задано спроектировать, пользуясь при этом литературами источниками, рекомендованными в настоящем учебном указании или консультациями. При возможности целесообразно ознакомиться с объектом автоматизации на производстве (в натуре). При ознакомлении студент должен представить общую задачу, решаемую данным объектом (машиной, механизмом), освоить общие принципы работы кинематической, электрической, гидравлической схем. Студент должен ознакомиться с заданием и уточнить неясные места.

Следующим шагом проектирования является ознакомление с заданным технологическим процессом, в котором участвует объект автоматизации. Все разнообразные способы задания технологии должны привести к выработке студентом требований к системе автоматического управления, которую он должен спроектировать. В соответствии с режимом работы механизма, способом регулирования скорости, нагрузочной диаграммой производится выбор двигателя по мощности. Затем определяется система автоматического управления, выбираются по каталогам электрические машины и преобразовательные устройства. Студент выбирает основные принципы, по которым должна работать система автоматического управления (САУ). В отдельных случаях по согласованию с преподавателем могут предусматриваться замкнутые системы автоматического регулирования, предусматривающие поддержание, например, скорости о требуемой степенью точности. В последнем случае выбираются и рассчитываются обратные связи.

Проделанная работа позволяет составить электрические схемы цепей управления и главных цепей в виде принципиальных схем.

Далее целесообразно выполнить расчеты статических режимов, которые позволяют построить семейства статических электромеханических и механических характеристик электропривода, определить диапазон регулирования, построить схему управления электроприводом и получить необходимые данные для проверочного расчета.

Следующей важной задачей является расчет динамических характеристик и построение кривых: скорости, тока (момента) в режимах пуска или торможения приводного электродвигателя.

Как правило, только после проверки работы проектируемой системы автоматизированного электропривода в переходных режимах выявляется окончательный вариант схемы управления и появляется возможность точно выбрать все элементы.

Каждый проект должен содержать разработку силовой схемы и схемы управления, которые подводили бы студентов к более серьезным конструктивным разработкам, выполняемым в дипломных проектах, и развивали бы конструкторские навыки, необходимые инженерам, работающим в области электротехники, электромеханики и электротехнологий.

В заключительной части проекта должна проводиться инженерная оценка полученного решения.

2. УКАЗАНИЯ К РАСЧЕТУ МОЩНОСТИ И ВЫБОРУ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Выбор электродвигателей для работы в системах автоматизированного электропривода представляет собой важную и сложную задачу. От того, насколько правильно она будет решена, зависят технико-экономические показатели работы системы: электропривод – рабочая машина.

Выбор серийных электродвигателей производится с учетом следующих показателей: рода тока, значения скорости, конструктивного исполнения, способа вентиляции и защита от действия окружающей среды, величины нагрузки.

Основным требованием при выборе электродвигателе является соответствие его мощности условиям технологического процесса рабочей машины. Надежная и экономичная работа электродвигателя возможна только при правильном выборе мощности электродвигателя. Мощность приводного двигателя должна выбираться в строгом соответствии с режимом работы и нагрузкой.

Установка электродвигателей завышенной мощности нецелесообразна. При этом неоправданно возрастают габариты двигателя, его вес и первоначальная стоимость, увеличиваются непроизводительные потери энергии за счет снижения КПД двигателя, а для асинхронного электропривода, кроме этого, снижается коэффициент мощности, удорожается эксплуатация установки.

Применение двигателя недостаточной мощности может привести к нарушению заданного цикла, снижению производительности рабочей машины. При недостаточной мощности двигателя будут иметь место также повышенный нагрев, ускоренное старение изоляции и выход двигателя из строя, что вызовет прекращение работы машины (механизма) и экономические потери.

Правильно выбранный электродвигатель при работе должен быть полностью загружен и в то же время не перегреваться сверх допустимых пределов. Кроме того, его перегрузочная способность, я пусковой момент должны обеспечить преодоление кратковременных перегрузок и требуемые условия пуска.

В связи с тем, что большинство электроприводов работают с переменной нагрузкой и в различных режимах (длительной, кратковременном, повторно-кратковременном), выбор мощности электродвигателя должен быть произведен в каждом отдельном случае с учетом конкретных условий его работы. При этом основой для выбора мощности электродвигателя служит нагрузочная диаграмма, рассчитываемая по техническим параметрам работы механизма и представляющая собой зависимость момента на валу, мощности или тока двигателя от времени, т. е.

или

Наиболее просто мощность двигателя находится в электроприводах, где нагрузка в основном определяется статическими сопротивлениями, а динамические усилия относительно малы. В этом случае предварительный выбор мощности двигателя может быть сделан на основании определения статической мощности механизма или среднеквадратичного момента за время цикла.

Выбор электродвигателя производится обычно в следующей последовательности:

1) расчет мощности и предварительный выбор двигателя;

2) проверка выбранного двигателя по условиям пуска и перегрузки;

3) проверка выбранного двигателя по нагреву.

Расчет мощности предварительно выбираемого электродвигателя следует начинать с определения режима работы по нагрузочной диаграмме и диаграмме скорости (тахограмме) исполнительного органа рабочей машины. Диаграммой скорости или тахограммой называется зависимость скорости движения исполнительного органа от времени или .

После этого необходимо выбирать один из приемлемых методов расчета: средних потерь, эквивалентного тока, момента или мощности [2, с.363–385; 5, с.373–407]. Определение приемлемого метода производится с учетом ограничений, накладываемых на каждый из методов [l, 2, 3, 4, 5]. Выбор двигателя производится из таблиц (прил. 3).

При расчете мощности двигателя для кратковременного и повторно-кратковременного режимов мощность определяется теми же методами, что и при длительном режиме работы, но с учетом времени работы при кратковременном режиме и относительной продолжительности включения при повторно-кратковременном режиме. При этом следует иметь в виду, что если расчетная величина продолжительности включения повторно-кратковременного режима отличается от стандартной, то двигатель выбирается по ее ближайшему стандартному значению. На стандартную величину продолжительности включения пересчитывается соответственно мощность двигателя [2, с.385; 5, с.396–400].

Проверка электродвигателей по перегрузочной способности во всех случаях производится в соответствии с методикой, изложенной в [2, 3, 5]. При проверке электродвигателей по условиям пуска сравнивается величина пускового момента выбранного двигателя с моментом нагрузки в период пуска.

Если предварительно выбранный двигатель удовлетворяет условию п. 2, то в большинстве случаев далее осуществляется его проверка по нагреву. Этот этап подробно рассматривается ниже.

Таким образом, если выбранный в п. 1 двигатель удовлетворяет условиям проверки по пп. 2 и 3, то на этом выбор двигателя заканчивается. Если же выбранный двигатель не удовлетворяет условиям п. 2 или 3, то выбирается другой двигатель (как правило, большей мощности) и проверка повторяется.

3. Основные этапы проектирования

По условиям технологического процесса строится тахограмма исполнительного органа рабочей машины. Далее производится построение нагрузочной диаграммы. Моменты в установившемся режиме при известных технических данных производственного механизма рассчитываются по формулам, приведенным в литературе [1]. Рассчитанные моменты строятся в виде графика на миллиметровой бумаге под тахограммой скорости.

3.1.1. Приведение моментов и сил сопротивления, инерционных масс и моментов инерции

Обычно двигатель приводит в действие производственный механизм через систему передач, отдельные элементы которой движутся с различными скоростями. Механическая часть электропривода может представлять собой сложную кинематическую цепь с большим числом движущихся элементов. Движение одного элемента дает полную информацию о движении всех остальных элементов, поэтому движение электропривода можно рассматривать на каком-либо одном механическом элементе. Обычно в качестве такого элемента принимают вал двигателя.

При вращательном движении приведенный момент сопротивления механизма рассчитывается по одной из формул (для активного и реактивного момента сопротивлений):

, (3.1)

где – момент сопротивления производственного механизма, Н. м;

– тот же момент сопротивления, приведенный к валу двигателя;

– передаточное число кинематической цепи (редуктора) между валом двигателя и механизмом;

– угловая скорость вала двигателя, рад/с;

– угловая скорость вала производственного механизма, рад/с;

– КПД передачи, учитывающий потери мощности на трение в кинематической цепи.

При наличии нескольких передач между двигателем и механизмом с передаточными числами i1, i2, …,in и КПД передач, передаточное число i может быть определено по конструктивным параметрам передачи. Коэффициент полезного действия передачи зависит от ее нагрузки и определяется либо по специальным формулам, либо по графикам из справочной литературы.

При поступательном движении приведенный момент сопротивления рассчитывается по одной из формул:

, (3.2)

где – сила сопротивления производственного механизма, Н;

– радиус приведения кинематической цепи между двигателем и исполнительным механизмом, м;

– скорость поступательного движения, м/с.

Радиус приведения может быть определен по конструктивным параметрам передачи.

При наличии вращающихся частей, обладающих моментами инерции и угловыми скоростями , приведенный момент инерции определяется по формуле

, (3.3)

где – момент инерции якоря (ротора) двигателя и других элементов (муфты, шестерни и т. п.), установленных на валу двигателя.

Приведенный момент инерции масс, движущихся поступательно, рассчитывается по формуле

, (3.4)

где m – суммарная масса поступательно движущихся частей механизма, кг .

Иногда в каталоге для двигателей указывается значение махового момента , кгс. м2. В этом случае момента инерции ротора двигателя, кг. м2, в системе СИ вычисляются по формуле

Если механизм имеет вращающиеся и поступательно движущиеся элементы, то приведенный к валу двигателя момент инерции суммируется [2, 5].

В устройствах, преобразующих вращательное движение в возвратно-поступательное при помощи кривошипно-шатунного механизма, скорость и ускорение поступательно движущихся масс изменяются по величине и по знаку за один оборот кривошипа. Методика определения приведенных момента инерции и момента сопротивления к валу двигателя изложена в [3].

3.1.2. Расчет и построение нагрузочных диаграмм электропривода

Нагрузочная диаграмма электропривода характеризует зависимость вращающего момента, тока или мощности, развиваемой двигателем, от времени. Она является основной характеристикой, описывающей поведение двигателя в заданном технологическом режиме работы механизма. Нагрузочные диаграммы используются для оценки перегрузочной способности электропривода и сопоставления ее с допустимой кратковременной нагрузкой для данного электродвигателя, а также для проверки предварительно выбранного двигателя по нагреву.

Нагрузочная диаграмма электропривода учитывает статические и динамические нагрузки, преодолеваемые электроприводом в течение цикла работы механизма.

Статические нагрузки определяются на основании технологических данных, характеризующих работу того или иного класса производственных механизмов, а динамические нагрузки оцениваются инерционными моментами, которые развиваются электроприводом для обеспечения соответствующих угловых ускорений, обуславливающих заданную производительность.

Для построения нагрузочных диаграмм электропривода кроме характера изменения момента сопротивления производственного механизма необходимо также знать законы протекания переходных процессов в электроприводе. В частном случае при установившемся движении нагрузочная диаграмма исполнительного механизма совпадает с нагрузочной диаграммой электропривода. В общем случае эти нагрузочные диаграммы различны. Изменение нагрузки, включение двигателя в сеть или выключение его, введение сопротивления в цепь двигателя, изменений подводимого напряжения и т. п. заставляяют привод замедляться или ускоряться. В этом случае привод работает в переходном режиме с угловым ускорением . В основе построения нагрузочных диаграмм лежит уравнение движения электропривода

, (3.5)

где – развиваемый двигателем момент, Н·м;

– приведенный момент сопротивления, Н·м;

– приведенный момент инерции, кг·м2;

– угловое ускорение, рад/с2.

Нагрузочные диаграммы строятся, как правило, упрощенным методом путем определения суммарного момента или тока (мощности), развиваемых двигателем на отдельных участках движения рабочего механизма. При этом по тахограмме движения определяют значения ускорений на участках разгона и замедления, затем находят значения статических и динамических моментов и, наконец, по уравнению движения определяют суммарный момент двигателя, приведенный к валу двигателя. Типовая методика построения нагрузочных диаграмм изложена в [2, с. 359–370; 5, с. 373–377].

Рассчитанные динамические моменты также строятся в виде графиков . При этом начала координат всех графиков должны находиться на одной вертикали, а масштабы времени выбираются одинаковыми.

При таком построении легко построить общую нагрузочную диаграмму путем графического суммирования моментов. Нужно отметить, что для правильного суммирования при построении нагрузочной диаграммы следует учитывать знаки моментов.

3.2.1. Предварительный выбор двигателя

В соответствии с ранее определенным типом приводного электродвигателя с учетом его степени защиты, вида охлаждения и т. п. производится предварительный выбор приводного электродвигателя. При этом, как указывается выше, должны соблюдаться условия выбора:

, (3.6)

, (3.7)

где – соответственно номинальная угловая скорость выбранного двигателя и угловая скорость приводного механизма, определяемая тахограммой;

– соответственно номинальная мощность выбираемого электродвигателя и эквивалентная мощность приводного механизма, определяемая по статической нагрузочной диаграмме и тахограмме.

При расчете необходимо учитывать режим работы двигателя. При повторно-кратковременном режиме необходимо привести к ближайшей стандартной продолжительности включения:

, (3.8)

где ПВРАССЧ – определяется из нагрузочной диаграммы;

ПВСТ – определяется по паспортным данным выбираемого двигателя.

3.2.2. Проверка двигателя по нагреву и перегрузке

Располагая графиком суммарного момента (с учетом динамических моментов), можно произвести проверку двигателя по нагреву методом эквивалентного момента. Для механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме, нужно рассчитать продолжительность включения двигателя:

, (3.9)

где – соответственно суммарное время пуска, установившегося движения, торможения и пауз.

Эквивалентный момент в общем случае определяется как

, (3.10)

где и – коэффициенты, учитывающие ухудшение охлаждения двигателя соответственно при пуске (торможении) и остановке.

При расчете нужно учитывать режим работы двигателя. Так, при повторно-кратковременном режиме работы время пауз t0 в формуле (3.10) исключается.

Полученную величину эквивалентного момента при повторно-кратковременном режиме необходимо привести к ближайшей стандартной продолжительности включения по формуле

, (3.11)

Двигатель проходит по нагреву, если . Если номинальный момент двигателя меньше эквивалентного, то нужно выбирать по каталогу другой ближайший больший двигатель и повторить расчеты.

Проверка двигателя по перегрузке производится с помощью неравенства

, (3.12)

где – максимальный момент по нагрузочной диаграмме;

– коэффициент перегрузки двигателя по моменту, задается в каталоге для данного двигателя.

4. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Электромеханической характеристикой называется зависимость угловой скорости двигателя от тока главной цепи, то есть .

Механической характеристикой называется зависимость угловой скорости двигателя от развиваемого им момента на валу, то есть .

Электромеханические и механические характеристики можно изобразить в виде графиков.

Для асинхронного двигателя уравнения механической характеристики выражаются формулами [2, 5]

, (4.1)

, (4.2)