Костромской государственный технологический университет, 2004 1 page

КОСТРОМСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра автоматики и микропроцессорной техники

Методическое пособие

для

курсового проектирования

на тему:

Расчет автоматизированного электропривода постоянного тока

Кострома, 2004

удк 621.315

Шуваев В.Г. Автоматизированный элекропривод: Учебное пособие по курсовому проектированию. – Кострома: Издательство Костром. гос. технол. ун-та, 2004 – 77с.

Пособие содержит варианты заданий, описание методики выбора элементов электропривода, методику расчета статических и динамических характеристик привода и приложения.

Пособие предназначено для студентов специальности 2102 очного и заочного факультета, изучающих курс «Автоматизированный электропривод».

Рецензенты: Ершов В.Н., проректор КГУ им. Некрасова;

Комаров Н.В., доцент КГСХА;

Сурин М.Н., старший инженер отдела Промавтоматики ОАО «Фанплит».

Рекомендовано редакционно – издательским советом КГТУ, в качестве учебного пособия по курсовому проектированию.

Костромской государственный технологический университет, 2004

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

Для современного промышленного производства характерно широкое внедрение автоматизированного электропривода - основы механизации и комплексной автоматизации технологических процессов. Совершенствование систем автоматизированного электропривода с использованием новейших достижений науки и техники является одним из непременных условий при решении задач всемерного повышения эффективности общественного производства, ускорения роста производительности труда и улучшения качества выпускаемой продукции.

Современный электропривод определяет собой уровень силовой электровооруженности труда и благодаря своим преимуществам по сравнению со всеми другими видами приводов является основным и главным средством автоматизации рабочих машин и производственных процессов.

Электропривод определяется как электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением [1]. В отдельных случаях в этой системе могут отсутствовать преобразовательное и передаточное устройства. Структура электропривода приведена на рис.1.1.

Рис.1.1. Структура электропривода

Она содержит преобразовательное устройство (ПРУ), определяемое как электротехническое устройство, преобразующее род тока, напряжение, частоту и изменяющее показатели качества электрической энергии, предназначенное для создания управляющего воздействия на электродвигательное устройство.

Электродвигательное устройство (ЭДУ) является электротехническим устройством - электрической машиной, - предназначенным для преобразования электрической энергии в механическую или механической энергии в электрическую.

Передаточное устройство (ПУ) предназначено для передачи механической энергии от электродвигательного устройства электропривода к исполнительному органу рабочей машины (ИОРМ) и согласования вида и скоростей их движения.

Управляющее устройство (УУ) является электротехническим устройством, предназначено для управления преобразовательным, электродвигательным и передаточным устройствами. Управляющее устройство, как правило, содержит информационную часть, получающую информацию от задатчиков (сигнал задания) и датчиков обратной связи (сигнал о состоянии привода) и в соответствии с заданными алгоритмами вырабатывает сигналы управления.

Посредством системы электропривода приводятся в движение рабочие органы технологических (производственных) машин и осуществляется управление преобразованной энергией. Под управлением здесь понимают организацию процесса преобразования энергии, обеспечивающую в статических и динамических условиях требуемые режимы работы технологических машин. Если основные функции управления выполняются без непосредственного участия человека (оператора), то управление называют автоматическим, а электропривод - автоматизированным.

Параметрами электропривода являются скорость, нагрузка, диапазон регулирования, жесткость механической характеристики и электромеханическая постоянная времени.

Для управления электроприводами применяется множество различных устройств, однако, в настоящее время наиболее рациональным кажется использование тиристорного и транзисторного управления электроприводами. Для этой цели в разомкнутой или замкнутой системах управления электроприводами используют управляемые выпрямители (для систем с двигателями постоянного тока) и регуляторы напряжения или преобразователи частоты (для систем с асинхронными двигателями).

Данная брошюра является учебным пособием к выполнению курсового проекта по дисциплине «Автоматизированный привод» для студентов специальности 2102 «Автоматизация технологических процессов и производств». В ней рассматриваются все основные вопросы построения замкнутой системы управления электроприводом постоянного тока, даны рекомендации по выбору и построению рабочих характеристик отдельных элементов системы управления, ее настройке на заданные параметры работы.

Все необходимые данные приведены в представленных здесь же таблицах, заимствованных из литературных источников, как общедоступных - в библиотеках, так и малодоступных - в конструкторских бюро при заводах города и области.

Все дополнительные сведения, которые могут понадобиться для выполнения курсового проекта, можно найти в рекомендованной литературе.

Задание на курсовое проектирование

Курсовой проект имеет целью закрепление теоретических знаний по курсу «Автоматизированный электропривод» и развитие навыков расчета сложных систем электропривода.

В курсовом проекте следует выполнить расчеты, связанные с применением комплектного регулируемого электропривода, в состав которого входят: приводной электродвигатель, регулируемый силовой преобразователь с аппаратурой управления, а также элементы цепей обратных связей. Необходимо уметь правильно выбрать элементы электропривода (электродвигатель с тахогенератором, управляемый выпрямитель, согласующий трансформатор, уравнительные реакторы) и определить соответствие его статических и динамических свойств заданным техническим требованиям.

Курсовой проект должен содержать пояснительную записку и чертежи упрощенной принципиальной схемы электропривода и расчетных структурных схем системы управления электроприводом. Пояснительная записка выполняется на листах формата А4 и содержит расчетную часть курсового проекта с кратким описанием проделанной работы. Чертежи схем выполняются на листах стандартного формата в соответствии ГОСТ.

Требования к электроприводу приведены в таблице 1.1.

Данные режимов работы двигателей электропривода приведены в таблицах 1.2, 1.3 и 1.4.

Требования к передаточному механизму приведены в таблице 1.5.

Требования к электроприводу. Таблица 1.1

Необходимо построить статические характеристики и переходные процессы по управлению и по возмущению (изменение нагрузки согласовать с преподавателем) для проектируемого привода.

В процессе работы привода возможны колебания напряжения сети: ∆U_с ≈ (-10 ÷ +5) % от U_ном .
Данные механизма при продолжительном режиме работы. Таблица 1.2

Данные механизма при повторно-кратковременном режиме. Таблица 1.3

Данные механизма при кратковременном режиме работы. Таблица 1.4

Данные редуктора. Таблица 1.5

При оформлении пояснительной записки необходимо иметь в виду следующее:

а) Пояснительная записка предоставляется в сброшюрованном виде с титульным листом по установленной форме;

б) Порядок следования материалов в пояснительной записке должен быть таким:

- содержание;

- введение;

- задание на курсовой проект;

- расчеты;

- выводы по работе;

- перечень литературы.

Примечание: каждый раздел пояснительной записки заканчивается выводами и сводной таблицей рассчитанных параметров.
РАЗДЕЛ 1. ВЫБОР ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

В современном автоматизированном электроприводе можно условно выделить два канала распространения сигналов:

- силовой канал, по которому преобразуемая энергия транспортируется от источника питания к объекту управления. Силовой канал привода включает в себя источники питания, преобразовательные устройства электродвигательные устройства, силовой редуктор, исполнительные элементы.

- канал управления (информационный канал), по которому осуществляется управление потоком энергии. Элементами канала управления являются устройства ввода – вывода, преобразователь информации, устройство диагностики;

Некоторые элементы привода являются общими для канала управления и силового канала.

Назначение силового канала состоит в преобразовании энергии источника питания в механическую энергию движения объекта управления (выходного вала привода), а назначение информационного канала - в управлении потоком энергии в силовом канале.

В силовом канале всегда имеются ограничения по преобразованию потока энергии, однако, физически не существует таких средств и способов, которые позволили бы скомпенсировать влияние этих ограничений на динамические свойства электропривода.

В теории систем автоматического управления существуют методы, которые направлены на рационализацию структуры и параметров канала управления. Это необходимо, чтобы скомпенсировать влияние постоянных времени, нелинейных статических характеристик элементов канала и увеличить быстродействие привода, расширить полосу воспроизводимых частот, улучшить точность воспроизведения сигналов. Возможно и преднамеренное введение нелинейных звеньев для придания приводу желаемых свойств. Однако недостаток энергии, требуемой для обеспечения движения привода по заданному закону, можно скомпенсировать только необходимым увеличением этой энергии.

В то же время ограничения, действующие в силовом канале, приводят к ограничению полосы частот, которую способен воспроизвести привод. Поэтому при проектировании привода сначала должен выполняться синтез силового канала из условия возможности воспроизведения требуемого динамического закона движения выходного вала привода, а затем структурный и динамический синтез канала управления.

Согласно определению привод должен воспроизводить движение объекта по заданному закону. В таких условиях выбрать элементы силового канала минимальных габаритных размеров и мощности невозможно. Чтобы иметь возможность воспроизводить практически любые движения при реальных значениях моментов сопротивления нагрузки, необходимо, чтобы двигатель был большой мощности, но вместе с этим увеличиваются потребляемая им мощность и габаритные размеры привода в целом.

Анализируя движение объекта, управляемого приводом в реальных условиях, можно выявить его характерные виды движения. Отсюда можно определить типовые (расчетные) законы движения, которые вместе с характеристиками момента сопротивления нагрузки и являются исходными данными для проектирования силового канала привода.

В практике проектирования силового канала электроприводов разработаны и применяются два направления.

Первое направление связано с выбором параметров исполнительного двигателя, основанным на проверке степени его нагрева. Необходимо, чтобы температура двигателя при его работе в приводе не превышала допустимых значений. К этому направлению относится метод средних потерь, методы эквивалентных момента (тока) и мощности.

Ко второму направлению относятся методы выбора параметров двигателя, основанные на теории предельных динамических возможностей приводов. Методы второго направления гарантируют при правильном выборе структуры привода способность его силового канала обеспечить воспроизведение требуемых законов движения объекта управления. Естественно, что при необходимости требуется произвести проверку выбранного двигателя на нагрев.

Целью данного раздела является оценка потребности электропривода в энергии. А так как основным потребителем энергии является электродвигатель, то расчет электропривода начинают с выбора электродвигателя и связанных с ним функциональных элементов, образующих силовую часть электропривода. Выбор силовой части влияет прежде всего на выбор источников питания, структурную схему электропривода и на его технико-экономические показатели.

Выбор двигателя будем проводить на основе метода эквивалентного момента.

Обычно выбор электрооборудования включает следующие этапы:

· анализ характера изменения возмущающих моментов;

· расчет мощности и выбор электродвигателя по требуемым максимальным значениям параметров движения;

· проверка правильности выбора электродвигателя по перегрузочной способности и тепловому режиму;

· выбор элементов силового комплектного тиристорного преобразователя;

· расчет параметров системы «тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока».

1.1. Выбор электродвигателя

1.1.1. Определение режима работы электродвигателя

Требуется по заданной нагрузочной диаграмме (рис.1.2) определить режим работы электродвигателя.

Исходными данными для расчета мощности и выбора типа электродвигателя являются технологические и конструктивные требования, которые обусловлены эффективным использованием производственного механизма.

Характер нагрузки производственного механизма определяет режим работы электродвигателя. Всего различают восемь режимов работы электродвигателей от S1 до S8. На практике чаще всего встречаются первые три [2,3].

Различают продолжительный режим работы (S1) электрической машины, который имеет место при неизменной нагрузке, продолжающийся столько времени, что температура ее достигает установившегося значения.

В подобном режиме работают двигатели привода ряда машин и механизмов, к которым можно отнести центробежные насосы с постоянными значениями высоты всасывания, давления в напорном трубопроводе и производительности, вентиляторы, транспортеры с постоянной массой транспортируемых материалов, большинство металлорежущих станков и др.

Кратковременный режим работы (S2) - это режим, при котором периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения машины; при этом периоды нагрузки не настолько длительны, чтобы превышения температуры машины могли достигнуть установившихся значений, а периоды остановки настолько длительны, что все части ее охлаждаются до температуры окружающей среды.

Стандартизованы следующие продолжительности рабочего периода: 10, 30, 60 и 90 мин. Они указываются в обозначении режима, например, S2-10 мин.

В подобном режиме работают электродвигатели привода механизмов разводки мостов, подъема щитов плотин, опускания шлюзов, поворота лотков в инкубаторах и др.

Повторно-кратковременным режимом работы (S3) называется режим, при котором кратковременные периоды неизменной номинальной нагрузки (рабочие периоды) чередуются с периодами отключения машины (паузами), причем, как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышения температуры могли достигнуть установившихся значений. В этом режиме работы продолжительность цикла не превышает 10 мин, и режим характеризуется относительной продолжительностью включения (ПВ) в %, которая определяется по формуле: