Условиями выбора муфты являются 2 страница

где ‒ потери мощности на каждом участке нагрузочной диаграммы, Вт;

ti ‒ длительность каждого участка нагрузочной диаграммы, с.

Метод средних потерь требует применения зависимости КПД от нагрузки двигателя. Поэтому в практике расчётов чаще используют метод эквивалентных величин.

Метод эквивалентного тока применяется при известном графике тока двигателя

, (4.5)

где Iэкв – эквивалентный по тепловому действию ток, А;

Ii – ток на каждом участке нагрузочной диаграммы, А.

Метод эквивалентного тока не всегда удобен. Практически для выбора мощности двигателя используют графики момента или мощности.

Метод эквивалентного момента может использоваться в тех случаях, когда магнитный поток двигателя остаётся постоянным в процессе работы. Эквивалентный момент Мэкв, Н∙м, определяется

, (4.6)

где Mi – момент на каждом участке нагрузочной диаграммы, Н·м.

Метод эквивалентного момента нельзя применять для двигателей постоянного тока с регулированием угловой скорости изменением магнитного потока, для пусковых и тормозных режимов двигателей с короткозамкнутым ротором и т. д.

Метод эквивалентной мощности применяется при постоянстве магнитного потока и скорости двигателя при работе. Эквивалентная мощность Рэкв, Вт, определяется

, (4.7)

где Pi – мощность на каждом участке нагрузочной диаграммы, Вт.

Для определения эквивалентных момента или мощности сначала строят нагрузочную диаграмму Рст=f(t) или Мст=f(t) для расчётного цикла работы или на основании технологической карты обработки наиболее энергоёмкой типовой детали. При построении нагрузочной диаграммы рассчитывают мощность или момент при выполнении каждой операции и время выполнения каждой операции. Расчётные формулы для определения статических нагрузок и времени зависят от вида технологической установки и приводятся в соответствующей справочной литературе. При построении нагрузочной диаграммы необходимо также учитывать мощность и время холостого хода двигателя.

После построения нагрузочной диаграммы определяется эквивалентное значение мощности или момента и выбирается двигатель по каталогу на двигатели длительного режима работы по условиям:

Рном Рэкв или Мном Мэкв, (4.8)

где Мном – номинальный момент двигателя, Н·м.

Для выбора двигателя необходимо также определить расчетную угловую скорость двигателя с использованием кинематической схемы механизма.

Выбранный двигатель проверяют на перегрузочную способность. Для этого по нагрузочной диаграмме определяют значение максимального момента нагрузки Ммакс.

Двигатель удовлетворяет условиям перегрузки, если выполняется условие

, (4.9)

где 0,8 – коэффициент, учитывающий для асинхронных двигателей возможное снижение напряжения сети на 10%;

– перегрузочная способность выбранного двигателя.

4.4.4 Расчёт мощности двигателя, работающего в повторно-кратковременном режиме, проводится в следующей последовательности:

1) предварительно выбирают мощность двигателя.

По построенной нагрузочной диаграмме Рст=f(t) или Мст=f(t) привода определяется фактическое значение продолжительности включения ПВфакт, эквивалентная мощность Рэкв (4.7) или эквивалентный момент Мэкв (4.6) для рабочего периода. При отличии фактической продолжительности включения ПВфакт от стандартного значения продолжительности включения ПВст предполагаемого к установке двигателя, необходимо привести эквивалентные величины Рэкв или Мэкв к стандартному значению ПВст=15, 25, 40, 60%. Тогда

Рэкв.ст.= Рэкв , (4.10)

Мэкв ст.= Мэкв . (4.11)

По рассчитанным значениям Рэкв ст(Мэкв ст), ПВст и ωрасч выбирают двигатель по каталогу на двигатели повторно-кратковременного режима работы;

2) выполняют проверку двигателя по перегрузочной способности по условию (4.9);

3) выполняют проверку выбранного двигателя по нагреву.

Для этого строят уточнённую нагрузочную диаграмму электропривода с использованием основного уравнения движения электропривода

Мдв= Мст Мдин, (4.12)

где Мдв – момент двигателя, Н·м;

Мдин – динамический момент электропривода, Н·м.

Динамический момент электропривода Мдин, Н∙м

Мдин= , (4.13)

где – приведенный к валу двигателя момент инерции электропривода, кг·м2;

– угловое ускорение электропривода, рад·с-2.

При установившемся движении ( = 0), уравнение движения электропривода принимает вид

Мдв= Мст. (4.14)

В этом случае нагрузочные диаграммы исполнительного механизма и электропривода совпадают.

Для практических расчётов полагают, что момент двигателя во время пуска и торможения сохраняет некоторое среднее значение, определяемое после расчёта семейства механических характеристик в соответствии с принятой схемой управления. Тогда время пусков и торможений tпуск(торм), с, определяется

tпуск(торм)= , (4.15)

где 2 – конечная (начальная) угловая скорость привода при пуске (торможении), рад·с-1;

1 – начальная (конечная) угловая скорость привода при пуске (торможении), рад·с-1;

Мср – средний момент двигателя при пуске (торможении), Н·м.

Знак « » зависит от взаимного направления моментов двигателя и сопротивления при выполнении рассчитываемой операции.

По уточнённой нагрузочной диаграмме электропривода определяют эквивалентное значение момента (тока) и продолжительность включения привода. Если расчётная продолжительность включения выбранного двигателя отличается от стандартной, то эквивалентный момент приводится к стандартному режиму по (4.11).

Двигатель проходит по нагреву, если выполняется условие

Мном Мэкв, (4.16)

где Мном – номинальный момент предварительно выбранного двигателя, Н·м.

 

 

4.5 Расчёт механических характеристик

 

После того как стала известна мощность двигателя, приступают к расчёту его характеристик. Из нагрузочной диаграммы известно количество пусков и остановок двигателя, что накладывает определённые требования на метод разгона и торможения привода. Для получения пусковых и тормозных моментов двигателя, обеспечивающих соответствующее время разгона и торможения привода, необходимо эти моменты поддерживать в определённых пределах. При этом двигатель должен работать на различных характеристиках.

Для построения характеристик и определения величин сопротивлений существуют различные методы расчёта, приводимые в [3, 4, 5].

 

 

4.6 Проверка выбранного двигателя

 

Условия проверки двигателя зависят от режима его работы и изложены в подразделе 4.4 настоящего пособия.

 

 

5 ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

 

При описании схемы управления технологической установкой необходимо дать общую характеристику электрооборудования и принятых схемных решений. Далее приводят работу схемы управления во всех режимах, указывают внесённые изменения и их влияние на работу схемы. В заключение раздела описывают используемые защиты, блокировки и их работу.

 

 

6 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

 

В этом разделе курсового проекта необходимо произвести расчёт и выбор аппаратуры управления, используемой в электрооборудовании технологической установки. При выборе аппаратуры следует руководствоваться положениями ПУЭ (гл. 5.3).

 

 

6.1 Расчет и выбор силового преобразователя

 

6.1.1 В настоящее время силовые преобразователи для регулируемых электроприводов выпускаются в виде комплектных устройств, включающих в себя все необходимые элементы для построения регулируемого привода, согласованные по всем своим техническим и конструктивным характеристикам и параметрам уже на стадии проектирования и изготовления.

При выборе комплектного преобразователя необходимо учитывать:

― род тока нагрузки;

― возможность обеспечения необходимых режимов работы регулируемого электропривода;

― мощность, напряжение и ток нагрузки;

― диапазон, плавность регулирования и закон регулирования выходного параметра;

― точность поддержания выходного параметра;

― перегрузочную способность преобразователя;

― способ подключения и параметры питающей сети;

― наличие режима энергосбережения.

6.1.2 Преобразователь регулируемого напряжения для электропривода постоянного тока выбирают по следующим условиям [6]

(6.1)

где Uвых.пр, Iвых.пр – выходные напряжение, В, и ток, А, преобразователя соответственно;

Iмакс.пр – максимальный ток преобразователя, А, при максимальной длительности тока перегрузки двигателя;

Uв.пр – напряжение источника питания возбуждения преобразователя, В;

Uном.дв, Iном.дв – номинальные напряжение, В, и ток, А, двигателя соответственно;

Iмакс.дв – максимальный ток двигателя, А;

Uв.ном.дв – номинальное напряжение возбуждения двигателя, В.

6.1.3 Выбор преобразователя частоты для регулируемого асинхронного двигателя основывается в первую очередь на возможности реализации всех технологических требований, предъявляемых к функционированию конкретного механизма. После этого можно переходить к выбору определенного типа преобразователя частоты, исходя из имеющейся питающей электрической сети, номинальных данных выбранного двигателя и максимальных значений момента и тока, определяемых нагрузкой электропривода. При выборе преобразователя частоты необходимо соблюдать условия

(6.2)

где Рном.пр, Iном.пр – номинальные мощность, кВт, и ток, А, преобразователя соответственно,

Pном.дв, Uном.дв – номинальные мощность, кВт, и напряжение, В, асинхронного двигателя соответственно;

Uвых.макс.пр – максимальное выходное напряжение преобразователя, В;

Iрасч – расчетный ток преобразователя, А;

Ммакс.пр – максимальный момент двигателя, допускаемый преобразователем, Н∙м;

Ммакс – максимальный момент двигателя при работе механизма, Н∙м.

Расчетный ток преобразователя Iрасч, А, определяется в зависимости от фактической загрузки двигателя, его перегрузочной способности, номинального напряжения питающей преобразователь сети и допустимой перегрузки инвертора по току

, (6.3)

где kI – коэффициент перегрузки инвертора по току, обычно принимаемый равным 1,36÷1,50;

λ – перегрузочная способность двигателя;

Iдв.Uс – расчетный ток двигателя, А, приведенный к напряжению питающей преобразователь сети:

, (6.4)

Uс – напряжение сети, питающей преобразователь частоты, В;

Iдв.Uном – расчетное значение тока статора асинхронного двигателя при номинальном напряжении Uном, А:

, (6.5)

, (6.6)

, (6.7)

, (6.8)

Iр, Iа – реактивная и активная составляющие тока статора асинхронного двигателя, А;

I1ном – номинальный ток статора асинхронного двигателя, А;

Мс.макс – наибольшее значение статического момента нагрузки, Н∙м;

Мном – номинальный момент двигателя, Н∙м;

cosφном – номинальный коэффициент мощности двигателя.

При выборе комплектного частотного преобразователя необходимо привести таблицу параметров, которые необходимо запрограммировать для корректной работы преобразователя в составе электрооборудования технологической установки. Рекомендации по применению частотных приводов приведены в приложении Г.

6.1.4 Выбор тиристоров для регулятора напряжения (ТРН) производится по напряжению (классу) и номинальному току и зависит от схемы включения, номинальной мощности, степени загрузки и режима работы асинхронного двигателя, способа охлаждения тиристоров.

Класс тиристоров определяет повторяющееся напряжение Uв.макс.доп, т. е. максимально допустимое мгновенное напряжение, прикладываемое к тиристору в процессе коммутации в каждый период напряжения сети. Рекомендуемое рабочее напряжение тиристора определяется амплитудой напряжения сети и равно 0,8Uв.макс.доп. Если учитывать возможность неравномерного распределения напряжения на тиристорах, включенных в фазы обмоток асинхронного двигателя, то независимо от силовой схемы ТРН напряжение на тиристоре может оказаться равным амплитуде Uл.макс линейного напряжения. Характерной особенностью работы тиристоров в статорных цепях является то, что при отключении асинхронного двигателя напряжение на тиристорах значительно повышается за счет ЭДС, наводимых в обмотках статора двигателя затухающим полем ротора. Это напряжение может достигнуть (1,4÷1,8)Uл.макс. С учетом этого класс тиристора можно определить [8, с.156]

, (6.9)

где k1 – коэффициент, учитывающий допустимое повышение напряжения в сети, принимаемый равным 1,05÷1,07;

k2 – коэффициент, учитывающий перенапряжения на тиристоре за счет затухающего магнитного потока ротора. Коэффициент k2можно принимать равным 1,4÷1,5 для асинхронных двигателей до5 кВт и 1,5÷1,8 для асинхронных двигателей большей мощности.

Выбор тиристоров по току для асинхронных двигателей значительно сложнее, так как он зависит от режима работы двигателя, характера пуска, способа охлаждения тиристоров и угла проводимости. Как правило, ТРН применяются для приводов с большим числом включений, поэтому при выборе тиристоров в основном следует учитывать пусковой ток. Предельный (номинальный) ток тиристора Iв доп, определяющий его типоразмер, в этом случае определяется как

, (6.10)

где kiпуск –кратность пускового тока двигателя по отношению к его номинальному току;

Iном – номинальный ток двигателя, А;

kcx – коэффициент, зависящий от схемы включения тиристоров. При встречно-параллельном включении kcx=2,22; для схемы треугольного коммутатора kcx=1,48 (рисунок 1); для симисторов kcx=1;

kо – коэффициент, зависящий от условий охлаждения и определяемый по каталожным данным тиристоров. При естественном охлаждении kо

с некоторым приближением может быть принят равным: для тиристоров на 50А – 0,5; на 100А – 0,4; на 160÷500А – 0,3.

Следует отметить, что поскольку тиристоры выбираются по пусковым токам, то в установившемся режиме работы асинхронного двигателя они будут работать с некоторой недогрузкой.

 

а) б) в) г)

а) встречно-параллельная схема; б) треугольный коммутатор; в) несимметричная реверсивная схема; г) симметричная реверсивная схема.

Рисунок 1 – Силовые схемы ТРН

 

Тиристоры, как и все полупроводниковые приборы, имеют малую перегрузочную способность, и для надежной работы электропривода следует предусмотреть соответствующую защиту, обеспечивающую такие значения тока и напряжения на тиристорах, которые по амплитуде и продолжительности не превосходили бы допустимых. Основными являются два типа защиты: от сверхтоков при коротком замыкании и перенапряжений.

При коротких замыканиях возможен выход из строя тиристора по двум причинам:

˗ из-за превышения температуры полупроводникового кристалла во всем его объеме при длительном протекании тока больше предельного, когда мощность, рассеиваемая в кристалле, превысит допустимую;

˗ из-за быстрого местного превышения температуры кристалла из-за кратковременном нарастании тока (высокое значение di/dt).

Перегрузки по току могут возникать и в установившемся режиме из-за несимметричного распределения тока между параллельно включенными тиристорами вследствие различий в их характеристиках. Чтобы избежать таких перегрузок, применяют специальные делители.

Защита тиристоров от токов короткого замыкания осуществляется с помощью быстродействующих предохранителей и автоматических выключателей. Для ограничения влияния скорости нарастания тока (di/dt) применяются насыщающиеся реакторы, включаемые между сетью и ТРН.

 

 

6.2 Выбор пусковых и тормозных устройств

 

6.2.1 Величины пусковых или тормозных сопротивлений определяют одновременно с расчётом механических или скоростных характеристик электродвигателя.

Выбор резисторов по нагреву производят для каждой ступени по эквивалентному длительному току Iэ.дл, А, который рассчитывают по выражению [10, с.137]

Iэ.дл= kнI2ном , (6.11)

где kн – коэффициент, который для ступеней ускорения принимается равным 1,25, для ступени противовключения 1,00, для предварительной ступени 0,80;

I2ном – номинальный ток ротора, А;

Iдоп – длительно допустимый ток резистора, А.

6.2.2 Величина сопротивления динамического торможения двигателя постоянного тока может быть рассчитана аналитическим методом [9].

Для определения сопротивления добавочного резистора Rд, Ом, необходимо задаться максимальным тормозным моментом Мторм или током Iторм, который обычно принимают не более (2-3)Мном или (2-3)Iном:

Rд= , (6.12)

где nторм – частота вращения двигателя в начале торможения, мин-1;

n0 – частота вращения холостого хода, мин-1;

Uном – номинальное напряжение якоря двигателя, В;

Rя – сопротивление обмотки якоря, Ом.

6.2.3 Основным параметром кранового тормозного устройства является гарантированно развиваемый им тормозной момент [11]. Тормозной момент определяется усилием на измерительном рычаге, при котором начинается проскальзывание шкива или дисков тормоза.

Согласно правилам Госгортехнадзора каждый из установленных на механизме механических тормозов должен удерживать груз, составляющий 125% номинального, при его остановке только с помощью этого тормоза. С учётом того что коэффициент трения асбестовых материалов может меняться в зависимости от температуры поверхностей до 30%, тормоз в холодном состоянии должен развивать тормозной момент, составляющий не менее 150% от номинального, т.е. коэффициент запаса тормозного момента должен быть не ниже 1,5 расчётного момента Мт.р, Н∙м, который определяется формулой

Мт.р= 94mномvном ном/nном, (6.13)

где Мт.р – расчётный момент тормоза, Н·м;

mном – номинальная грузоподъёмность механизма подъёма, кг;

vном – номинальная скорость подъёма, м·с-1;

ном – КПД механизма при номинальной нагрузке;

nном – номинальная частота вращения тормозного шкива, соответствующая скорости vном, мин-1.

С учётом режимов работы механизмов тормозные моменты тормозов Мт, Н∙м, должны быть равны

Мт= kз.тМт.р, (6.14)

где kз.т – коэффициент запаса тормоза, принимаемый по таблице 3.

Таблица 3 – Коэффициенты запаса тормозов

Группа режимов Механизм подъёма
один тормоз два тормоза
1М – 3М(Л) 4М(С) 5М(Т) 6М(ВТ) 1,50 1,75 2,00 2,50 1,25 1,25 1,25 1,25
Примечание:1) при двух тормозах на каждом приводе и двух приводах и более у механизма коэффициент запаса каждого тормоза должен быть не менее 1,1. 2) если применяются два тормоза и более, то запас торможения устанавливается в предположении, что весь груз удерживается одним тормозом.

 

Тормозной момент тормозов, устанавливаемых на механизмах горизонтального перемещения, определяется исходя из условий обеспечения удержания механизма при наибольших внешних нагрузках с учётом задаваемого выбега и отсутствия нарушения сцепления колёс с рельсами

, (6.15)

где G – масса передвигающегося механизма (моста, тележки), кг;

vг – номинальная скорость горизонтального перемещения, м·с-1;

S – установленный допустимый выбег, м;

tм – время от момента срабатывания конечного выключателя до начала механического торможения, с;

i – число механизмов с тормозами;

nр – расчётная частота вращения электродвигателя, соответствующая vг, мин-1;

Мст.макс – максимальный момент статической нагрузки, Н·м, для проверки выбега действующий в направлении движения (-); для проверки по сцеплению (+) на один двигатель;

‒ коэффициент трения колёс о рельсы;

‒ отношение числа тормозящихся колёс к общему числу колёс.

tM= 0,12+tТ, (6.16)

где tТ – время срабатывания тормоза, принимается для электромагнитов 0,15-1,60с, электрогидравлических толкателей – 0,35-0,60с.

При несоблюдении неравенства должны быть увеличены либо устанавливаемый выбег S, либо отношение числа тормозящихся колёс к общему числу колёс.

6.2.4 Расчёт параметров источника постоянного тока для динамического торможения асинхронного двигателя [4]. Основные схемы включения статора в цепь постоянного тока приведены на рисунке 2. Наиболее предпочтительна схема, требующая самого меньшего тока при наиболее высоком напряжении.

 

а) б) в)

Рисунок 2- Схемы питания обмоток статора постоянным током при динамическом торможении.

 

Ток источника Iи, А, определяется

Iи= kIном, (6.17)

где k – коэффициент эквивалентного тока из таблицы 4;

Iном – номинальный ток двигателя, А.

Напряжение источника постоянного тока Uи, В

Uи= , (6.18)

где sном – номинальное скольжение двигателя;

Рном – номинальная мощность двигателя, Вт.

Мощность источника постоянного тока Ри, Вт, определяется

Ри= UиIи, (6.19)

 

Таблица 4 – Значения коэффициента эквивалентного тока

  Схемы по рисунку 1
а б в
Коэффициент эквивалентного тока k   1,22   1,41   2,12

 

 

6.3 Выбор электромагнитных муфт

 

При расчёте и выборе муфт учитывают как статические, так и динамические нагрузки. Статические нагрузки определяются передаваемым крутящим моментом в установившемся режиме работы при условии, что Мс=const. При подключении муфтой кинематической цепи к приводному двигателю или при изменении режима его работы муфта воспринимает и передаёт динамические нагрузки, возникающие при переходных процессах [7].

Крутящий момент, передаваемый муфтой, определяют от ведущего звена. При выборе электромагнитных муфт определяют крутящий момент Мкрi, Н∙м, на i-том валу кинематической цепи, где установлена муфта

(6.20)

где Рном – номинальная мощность двигателя, Вт;

i‒ КПД передачи от вала двигателя до i-того вала кинематической цепи, при отсутствии данных КПД элементов могут приниматься в соответствии с рекомендациями таблицы 5;

ni – частота вращения i-того вала, мин-1.

Условиями выбора муфты являются

Мвр > Мкр i, nмакс ≥ ni, (6.21)

где Мвр – вращающий момент муфты, Н·м;

nмакс – максимальная частота вращения муфты, мин-1.

 

Таблица 5 – Значения КПД механических передач (без учета потерь трения в подшипниках)

Тип передачи Закрытая Открытая
Зубчатая: с цилиндрическими колесами с коническими прямозубыми колесами   0,96 – 0,98 0,95 – 0,97   0,93 – 0,95 0,92 – 0,94
Червячная: самотормозящая несамотормозящая при: z1=1 (z1 – число заходов червяка) z1=2 z1=3 z1=4   0,30 – 0,40   0,65 – 0,70 0,70 – 0,75 0,80 – 0,85 0,85 – 0,90   ―   0,45 – 0,55 0,55 – 0,65 ― ―
Цепная 0,95 – 0,98 0,94 – 0,95
Фрикционная 0,90 – 0,94 0,70 – 0,85
Ременная с плоским ремнем ― 0,93 – 0,98
Ременная с клиновым ремнем ― 0,92 – 0,97
Винт-гайка скольжения 0,50 – 0,70 ―
Винт-гайка качения 0,80 – 0,95 ―
Муфта соединительная ― 0,98 – 0,99
Примечание: Трение в опорах учитывается введением условного КПД подшипников: для одной пары подшипников качения ηп.к.= 0,990 – 0,995, скольжения ηп.с.= 0,98 – 0,99.