Проектування автоматизованого електропривода візка мостового крану

Міністерство освіти і науки України

Національний університет водного господарства та природокористування

Кафедра електротехніки і автоматики

Курсова робота

"Проектування автоматизованого електропривода візка мостового крана"

з дисципліни:

"Автоматизований електропривод"

Виконав:

Студент III курсу

ФПМіКІС

групи АУТП-31

Реут Д.Т.

Керівник:

ас. Драчук Ю.С.

Рівне-2009

Вступ

Виконання курсового проекту має за мету набуття студентами навичок виконання інженерних розрахунків, пов’язаних з всіма етапами проектування автоматизованого електропривода конкретних виробничих механізмів чи машин. Успішне виконання проекту вимагає глибоких знань технологічних процесів, які має виконувати виробничий орган чи механізм, бо електропривод повинен забезпечити їх реалізацію з заданою точністю. Це означає, що система керування електроприводом повинна дозволяти плавно регулювати швидкість в заданому діапазоні, обмежувати величину моменту на валу механізму як в статичних, так і в динамічних режимах.

Гнучкість систем керування базується на використанні сучасних засобів електроніки і мікропроцесорної техніки. Тому для успішного проектування систем керування потрібні фундаментальні знання таких предметів як електроніка і мікросхемотехніка, теорія автоматичного керування, мікропроцесорна техніка та інші.

Завершальним етапом проектування є дослідження запроектованої системи автоматизованого електропривода шляхом математичного моделювання його роботи, що базується на знанні такого предмету як математичне моделювання на ЕОМ.

Отже, виконання даного курсового проекту буде першою спробою використання набутих знань з суміжних предметів при вирішенні інженерного завдання.

Зазвичай, при проектуванні автоматизованого електропривода розраховують декілька варіантів і на підставі техніко-економічного порівняння вибирають найбільше вдалий. Обмежений ресурс часу не дозволяє студенту виконувати цю роботу. Щоби наблизити навчальне проектування до реального, проекти на одну тему виконують декілька студентів і при захисті є можливість співставити варіанти і зробити відповідні висновки, що привнесе в навчальний процес елементи багатоваріантного проектування.

Проектування автоматизованого електропривода (АЕП) складається з таких етапів:

1. Постановка задачі, формування технічного завдання і вимог до роботи АЕП в усталених і динамічних режимах.

2. Побудова навантажувальних діаграм і тахограм руху виконавчого органу. Розрахунок потужності і попередній вибір двигуна.

3. Побудова навантажувальної діаграми двигуна, перевірка його на нагрівання та умови пуску і гальмування.

4. Обґрунтування і вибір способу керування двигуном.

5. Вибір системи керування електроприводом.

6. Розрахунки електромеханічних характеристик двигуна і електропривода.

7. Формування динамічних характеристик автоматизованого електропривода.

8. Моделювання динамічних характеристик.

9. Вибір системи керування і опис її роботи.

10. Висновки.

11. Література

1. Завдання на проектування

М2. Спроектувати автоматизований електропривод візка мостового крана за такими даними: маса візка m0=1600 кг; маса вантажу mв=5000 кг; швидкість руху візка v=0,6 м/с; діаметр ходових коліс dхк=0,55 м; діаметр цапфи ходового колеса dц=0,08 м; ККД передачі при повному навантаженні=0,85; момент інерції муфти з гальмом на валу двигуна Jм=0,1 кг∙м2; момент інерції ходового валу з муфтами і ходовими колесами Jхв=16 кг∙м2; усереднена висота підвіски вантажу lп=1,5 м; довжина прольоту моста L=20 м; висота підвіски вантажу lп=1,5 м.

Розрахунковий цикл роботи візка: рух на віддаль lр = L/2=20/2=10 м в одну сторону з вантажем і у зворотну сторону без вантажу, кількість циклів за годину N=30.

Діапазон регулювання швидкості D=55, статизм δ=0,05.

Перетворювач: широтно-імпульсний перетворювач напруги.

Система керування: з сумуючим підсилювачем.

Вид зворотного зв’язку: за швидкістю двигуна.

2. Розрахунки навантажувальної діаграми, тахограми руху виконавчого органу та попередній вибір потужності двигуна

Ці розрахунки необхідні для попереднього вибору потужності двигуна і швидкості його обертання. Їх виконують для механізмів зі змінним режимом роботи.

Зазвичай, навантажувальну діаграму Мс (t) і тахограму розраховують для найбільше важкого чи усередненого циклу роботи виконавчого механізму. Нижче описані методики розрахунків Мс (t) і деяких виробничих механізмів.

Приклад 1. Побудувати навантажувальну діаграму і тахограму руху візка мостового крана, кінематична схема якого наведена на Рис.1, де позначено: Д - двигун, Г - гальмо, М - муфта, Р - редуктор, ХВ - ходовий вал, ХК - ходові колеса візка. Вихідними даними для розрахунків є маса візка m0=1600 кг; маса вантажу mв=5000 кг; швидкість руху візка v=0,6 м/с; діаметр ходових коліс dхк=0,55 м; діаметр цапфи ходового колеса dц=0,08 м; ККД передачі при повному навантаженні=0,85; усереднена висота підвіски вантажу lп=1,5 м; довжина прольоту моста L=20 м.

Візок мостового крана може переміщуватись на різні віддалі в межах прольоту. Тому розрахунковим циклом переміщення візка приймають такий: рух на віддаль lр = L/2=20/2=10 м в одну сторону з вантажем і у зворотну сторону без вантажу, кількість циклів за годину N=30.

Для побудови навантажувальної діаграми необхідно знати моменти сил статичного опору і втрати в кінематичних ланках.

Момент статичного опору при русі візка з вантажем

/1/

де kр = 2,2 - коефіцієнт, який враховує тертя реборд ходових коліс об рейки; - коефіцієнт тертя ковзання; fк =0,001 - коефіцієнт тертя кочення.

Потужність на валу двигуна при русі візка з вантажем

, /2/

де = - радіус ходових коліс, м; =0,6 м/с - швидкість руху візка; ККД при русі візка з вантажем, що відповідає на рис.2.

Момент статичного опору при русі візка без вантажу

/3/

Потужність при русі візка без вантажу

, /4/

де η=0.71 - ККД передачі при коефіцієнті навантаження

який знаходять із кривої, наведеної на рис.2.

Рис. 2. Залежність ККД зубчатих передач від коефіцієнта .

При розгоні і гальмуванні візка відбувається розкачування вантажу, підвішеного на тросі. Величина відхилення від вертикального положення буде мінімальною, якщо час розгону

і гальмування будуть дорівнювати періоду власних коливань:

,/5/

де висота підвіски вантажу.

Виходячи з цієї умови, величина прискорення

/6/

Шлях, який пройде візок за час розгону,

. /7/

Такий же шлях пройде візок і при гальмуванні. Тому час переміщення візка з вантажем складе

. /8/

З метою підвищення продуктивності роботи крана прискорення і сповільнення візка без вантажу приймають у два рази більшим . Тоді час розгону

=0.6/ (2∙0.244) =1.229 c.

Шлях, який пройде візок за час розгону (гальмування) без вантажу,

. /9/

Час переміщення візка без вантажу

/10/

Розрахункова тривалість одного циклу руху візка

. /11/

Час пауз за один цикл складає

2tп = tц - tв - t0=120-19.16-17.895=82.945 с /12/

Розрахункова відносна тривалість включення двигуна

. /13/

Навантажувальна діаграма без врахування динамічних моментів і тахограма наведені на рис. 3.

Рис. 3.

Для попереднього вибору потужності двигуна необхідно змінний в часі момент ММ (t) або відповідну змінну в часі потужність замінити еквівалентною за нагріванням сталою потужністю, яку визначають за формулою

/14/

Для електроприводів, які працюють в повторно-короткочасному режимі, вибирають двигуни, які призначені для цих режимів. Промисловість випускає електричні двигуни на стандартні тривалості включення: ; 0,25; 0,4 і 0,6. Якщо розрахункова не відповідає стандартній, то необхідно перерахувати за формулою

. /15/

Оскільки технічним завданням передбачено регулювання швидкості в широкому діапазоні, то необхідно вибрати двигун постійного струму з незалежним збудженням.

Для наших умов вибираємо двигун постійного струму незалежного збудження з регулюванням напруги живлення за допомогою статичних перетворювачів змінного струму у постійний. Такі двигуни виготовляються на тривалий режим роботи (). Тому у формулу /15/ при визначенні потрібно підставити . За цих умов розрахункова потужність двигуна

. /16/

За каталогом вибирають двигун, номінальна потужність якого .

Паспортні дані двигуна заносять в табл. 1.

Обраний двигун 2ПБ112МУХЛ4 закритого виконання з природним охолодженням [7, c.321]

Таблиця 1

За даними табл.1 визначаємо:

номінальну кутову швидкість

; /17/

номінальний момент

; /18/

опір якорного кола двигуна

, /19/

де падіння напруги на щітках,

і коефіцієнт передачі двигуна

. /20/

Передаточне число редуктора

.

Вибраний двигун потрібно провірити на перевантажувальну здатність, яку визначає умова

, /21/

де максимальне значення моменту статичного навантаження; допустимий момент перевантаження двигуна. Для двигунів постійного струму незалежного збудження .

Вибраний двигун має достатню перевантажувальну здатність для подолання моменту статичного навантаження.

3. Побудова навантажувальної діаграми двигуна та перевірка його на нагрівання

Оскільки вибір потужності двигунів виробничих механізмів з тривалим і незмінним в часі навантаженням базується на умові, що розрахункова потужності на номінальній швидкості обертання, то нагрівання двигуна ніколи не перевищить розрахункового, і перевірку його на нагрівання не виконують. Але для електроприводів, які працюють у тривалому зі змінним в часі навантаженням або у повторно-короткочасному режимі, необхідно робити перевірку на нагрівання двигуна, бо при його попередньому виборі не враховувались фактичні втрати енергії на нагрівання в перехідних процесах.

Перевірку електропривода на нагрівання виконують на підставі навантажувальної діаграми двигуна . Діаграму можна побудувати, якщо відомі навантажувальна діаграма виконавчого механізму і тахограма . Її розраховують, просумувавши статичні і динамічні моменти, тобто

, /22/

де діаграма динамічних моментів.

Величину динамічного моменту визначають із рівняння руху електропривода:

, /23/

де зведений до вала двигуна момент інерції електропривода, . Рівняння /23/ справедливе для умови . Знак плюс в ньому відноситься до гальмівного режиму.

Для розв’язку рівняння /23/ необхідно знати зведений до вала двигуна момент інерції. Зведення моментів інерції і мас всіх рухомих частин електропривода базується на тому, що запаси кінетичної енергії зведеної системи і дійсної повинні бути рівними.

Якщо електропривод складається з частин, що обертаються зі швидкостями і мають моменти інерції відповідно , і частини масою , що рухається поступально зі швидкістю , то зведений момент інерції

/24/

де момент інерції ротора (якоря) двигуна і других елементів (шківа, муфти тощо), які встановлені на валу двигуна; кутова швидкість двигуна.

Оскільки є передаточним числом, то рівняння /24/ можна представити у вигляді

/25/

Побудувавши діаграму і просумувавши її з діаграмою , одержують навантажувальну діаграму двигуна , на підставі якої перевіряють двигун на нагрівання. Необхідність такої перевірки обумовлена тим, що завищена проти необхідної потужності двигуна призводить до лишніх капітальних витрат, зменшення ККД і коефіцієнта потужності електропривода.

Безпосередньо вирахувати температуру обмоток на підставі навантажувальної діаграми можна, але це дуже трудомістка і складна справа. Тому частіше всього для оцінки нагрівання двигуна використовують непрямі методи, зокрема, метод еквівалентних величин і метод середніх втрат.

Оскільки електропривод візка мостового крана працює у повторно-короткочасному режимі, то для перевірки його на нагрівання необхідно побудувати навантажувальну діаграму двигуна на підставі рівняння /23/, в яке входить момент інерції. Згідно з рівнянням /25/ зведені моменти інерції привода при русі візка з вантажем

/26/

і без вантажу

/27/

де Jдв, Jм, і Jх. в - відповідно моменти інерції двигуна, муфти і ходового вала; і - передаточне число редуктора.

Оскільки прискорення ар є вже визначеним, то для його реалізації при розгоні візка з вантажем двигун повинен розвивати динамічний момент

/28/

бо .

Згідно /22/момент двигуна при розгоні візка з вантажем

/29/

де =712, 206/ (105,592∙0,75) =8,993 H∙м –

зведений до вала двигуна момент статичного опору.

, тому приймаємо і за /28/ визначаємо нове значення прискорення

=