Электропривод вращающегося распределителя доменной печи

Курсовая работа.

на тему: «Электропривод вращающегося распределителя доменной печи».

Автоматизация и электрификация всех отраслей народного хозяйства приводит к облегчению труда рабочих. Примерами простейшего привода является ручной привод, конный привод (где усилия человека заменены тяговой силой животных). На смену им пришел механический привод от ветряного двигателя, от водяного колеса и турбины, паровой машины, двигателя внутреннего сгорания и от электрического двигателя, который постепенно занял главенствующее место.

Автоматизированным электроприводом называется электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенных для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением. В электроприводе основным элементом, непосредственно преобразующим электрическую энергию в механическую, является электрический двигатель, который чаще всего управляется при помощи соответствующих преобразовательных и управляющих устройств с целью формирования статических и динамических характеристик электропривода, отвечающих требованиям производственного механизма.

Разнообразные электроприводы с точки зрения способов распределения механической энергии можно разделить на три основных типа: групповой электропривод; индивидуальный и взаимосвязанный (многодвигательный).

По степени управляемости электропривод может быть: нерегулируемый, регулируемый, программно-управляемый, следящий, адаптивный.

Можно классифицировать электроприводы и по роду передаточного устройства. В этом смысле электропривод бывает: редукторный, безредукторный.

По уровню автоматизации можно различать:

— неавтоматизированный электропривод, в котором управление ручное; в настоящее время такой привод встречается редко, преимущественно в установках малой мощности бытовой и медицинской техники и т. п.;

— автоматизированный электропривод, управляемый автоматическим регулированием параметров;

— автоматический электропривод, в котором управляющее воздействие вырабатывается автоматическим устройством без участия оператора.

Два последних типа электропривода находят применение в подавляющем большинстве случаев.

Наконец, по роду тока применяются электроприводы постоянного и переменного тока.

Задачей курсового проекта является разработка автоматизированного электропривода стола продольно-строгального станка, работающего по системе тиристорный преобразователь напряжения — двигатель постоянного тока (ТП-ДПТ).

1. Технологическое описание механизма.

электропривод двигатель мощность управление Вращающийся распределитель доменной печи служит для равномерной загрузки материалов в печь. Равномерная загрузка печи обеспечивается поворотом загрузочного устройства и высыпанием шихты на различные участки пода печи. Распределитель может повернуть загрузочное устройство вокруг вертикальной оси домны на любой угол, кратный 60⁰.В начале цикла работы распределитель находится в положении, соответствующим 0^0.Здесь он заполняется шихтой с помощью скипа. После этого он поворачивается и на одной станции разгрузки разгружается. Вернувшись потом в положение 0⁰, распределитель вновь загружается и движется к новой станции. Обеспечение точного останова распределителя при подходе к станциям осуществляется переводом его на пониженную скорость.

По условиям технологического процесса продолжительность поворотов и порядок движений к станциям определяется по таблице 1.1.

Таблица 1.1.

1-зубчатый венец;

2-распределитель;

3-конусный затвор;

4,5 — шестерни;

6-электродвигатель;

7-муфта;

8-опорные ролик Рисунок 1.1 Электропривод распределения доменной печи.

2. Расчет усилий в механизме возникающих при различных режимах работы.

Выбор мощности двигателя основан на расчете усилий.

Определяем усилие, необходимое для вращения распределителя:

(2.1).

где m — вращающаяся масса, кг;

— коэффициент трения в роликах, на которых вращается распределитель.

Для разгруженного распределителя:

Н;

для загруженного распределителя:

Н.

Определяем вращающийся момент:

(2.2).

где R_зк — радиус зубчатого колеса, м.

Для разгруженного распределителя:

Н· м;

для загруженного распределителя:

Н· м.

Угловая скорость механизма поворота распределителя определяется как:

(2.3).

где — угол поворота, рад;

t — время поворота на заданный угол, с.

рад/с.

Для остальных углов угловая скорость механизма будет такая же, как и для угла 60⁰.

Мощность, необходимая для вращения распределителя, определяется как:

; (2.4).

для разгруженного распределителя:

Вт;

для загруженного распределителя:

Вт.

Определяем статическую мощность на валу двигателя:

(2.5).

где _пер — КПД передачи, зависящий от загрузки механизма.

Для разгруженного распределителя:

Вт;

для загруженного распределителя:

Вт.

Определяем номинальную скорость электродвигателя:

(2.6).

где i — передаточное число кинематической цепи.

Определяем статические моменты двигателя:

(2.7).

Для разгруженного распределителя:

Н· м;

для загруженного распределителя:

Н· м.

3. Построение нагрузочной диаграммы механизма и предварительный выбор мощности двигателя.

По результатам расчётов строим нагрузочную диаграмму M=f (t).

По нагрузочной диаграмме (рис. 3.1) определяем фактическую ПВ_ф%, то есть фактическую продолжительность включения:

(3.1).

где tр1, tр2, … — времена работы, с;

to1, to2, … — времена пауз, с;

Тцикла — время цикла, с.

.

Так как ПВ_ф>60%, то режим работы двигателя длительный.

Определяем эквивалентный момент М_э:.

(3.2).

Из стандартного ряда принимаем ПВ = 100%.

Пересчитываем М_э, соответствующий ПВ_ф на момент М_ст, который будет соответствовать выбранному стандартному ПВ_ст:.

; (3.3).

.

После этого определяем расчётную мощность:

(3.4).

где коэффициент (1,11,3) учитывает дополнительный нагрев двигателя за время переходных процессов, который не учтён при предварительном выборе мощности двигателя.

.

По каталогу, в соответствии с принятым ПВ_ст выбирем двигатель так, чтобы Р_н Р_расч..

Тип Д 31;

Р=7 кВт;

U_н=220 В;

n_н=1440 об/мин;

R_я + R_д.п =0,194 Ом;

R_пар=120 Ом;

J=1,2 кг? м^2;.

I_ня=38 А;

I_н=1,45 А.

Так как электродвигателей с необходимой частотой вращения нет, то:

пересчитываем угловую скорость двигателя:

(3.5).

Передаточное отношение редуктора:

(3.6).

Статические моменты для выбранного двигателя:

Для разгруженного распределителя:

(3.7).

для загруженного распределителя:

(3.8).

4. Построение уточнённой нагрузочной диаграммы и проверка выбранного двигателя.

При предварительном выборе мощности не были учтены периоды пуска, торможения, работа на пониженной скорости. Дополнительный нагрев двигателя в эти периоды учитывался увеличением расчётной мощности с помощью коэффициента (1,1 1,3). На этом этапе расчёта строим уточнённую диаграмму и проверяем, достаточно ли мощности выбранного двигателя.

Поскольку предусмотрена и пониженная скорость, которая обеспечивает необходимую точность остановки, то этот период тоже необходимо ввести в диаграмму.

Принимаем пусковой момент Мп=2Мн, а тормозной момент — Мт=Мп.

Номинальный момент двигателя:

. (4.1).

Пусковой момент и тормозной:

. (4.2).

Определяем момент инерции, приведенный к валу двигателя:

(4.3).

где Jдв — момент инерции двигателя,. Jдв=1,2;

0,2Jдв — момент инерции элементов редуктора, ;

Jмех — момент инерции механизма, ;

— передаточное число редуктора.

Для разгруженного распределителя:

;

для загруженного распределителя:

.

Определяем длительность переходных процессов.

Время пуска:

; (4.4).

для разгруженного распределителя:

;

для загруженного распределителя:

.

Время снижения скорости:

; (4.5).

для разгруженного распределителя:

.

для загруженного распределителя:

.

где принимаем предварительно =.

Время торможения с пониженной скорости до остановки:

; (4.6).

для разгруженного распределителя:

;

для загруженного распределителя:

.

Определяем ускорения.

Пуск:

; (4.7).

. (4.8).

Торможение:

; (4.9).

. (4.10).

Определяем пути, которые проходит привод.

При пуске:

; (4.11).

. (4.12).

При торможении до пониженной скорости:

; (4.13).

. (4.14).

При торможении до остановки:

; (4.15).

. (4.16).

На пониженной скорости:

(4.17).

где — время движения привода на пониженной скорости, с.

Определяем пути, пройденные приводом с номинальной скоростью.

Приводим углы поворота распределителя к валу двигателя:

; (4.18).

; (4.19).

. (4.20).

Тогда пройденные пути с номинальной скоростью:

при :

(4.21).

при :

при :

Определяем время работы электродвигателя с номинальной скоростью для каждого случая:

при :

; (4.22).

;

при :

;

;

при :

;

.

Уточнённую нагрузочную диаграмму приводим на рисунке 4.1.

По полученным значениям времени уточняем значение времени цикла:

;

;

;

;

;

.

Тогда время цикла:

.

После уточнения нагрузочной диаграммы вновь определяем ПВ_ф с учётом времён пуска, торможения и понижения скорости. Продолжительность пауз остаётся прежними.

(4.23).

Оставляем принятое ПВ=100%.

Уточняем эквивалентный момент при ПВ=100%:

Пересчитываем М_э, соответствующий ПВ_ф на момент М_ст, который будет соответствовать выбранному стандартному ПВ_ст:.

; (4.24).

.

Определяем расчётную мощность двигателя:

. (4.25).

Так как Ррасч=6623,6 Вт<�Рн=7000 Вт, то двигатель выбран верно.

5. Расчет недостающих параметров выбранного двигателя и построение его статических характеристик.

Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения питается от тиристорного выпрямителя, и все режимы обеспечиваются изменением напряжения, подаваемого на двигатель. Для построения статических характеристик используются следующие формулы:

— электромеханическая; (5.1).

— механическая; (5.2).

где — номинальное напряжение, В;

— суммарное сопротивление якорной цепи при 75 °C.

Если сопротивление задано при другой температуре, то пересчет производится по формуле:

(5.3).

где Т — температура при которой задана сопротивление якорной цепи.

(5.4).

гдеконструктивный коэффициент двигателя;

— магнитный поток;

— номинальное напряжение двигателя;

— падение напряжения на щетках (2−2,5) В;

— номинальная скорость двигателя, А;

— номинальный ток якоря двигателя, А.

Так как выше приведенные характеристики изменяются по линейным законам, то их можно строить по двум точкам.

Механическая характеристика.

1 точка:

2 точка:.

Искусственная электромеханическая характеристика получается при снижении напряжения на двигателе, поэтому для получения пониженной скорости необходимо найти величину напряжения, обеспечивающую скорость заданную при данной нагрузке по следующей формуле:

. (5.5).

Искусственная характеристика также строится по двум точкам. Скорость холостого хода определяется как:

(5.6).

а значение скорости при номинальной нагрузке определяется;

(5.7).

Расчеты произведем с использованием программы EXEL, результаты сведем в таблицу 2.

Таблица 2. Данные для построения статических характеристик.

Из полученных характеристик определяем частоты вращения распределителя при Мс. з и Мс.п. Таким образом:, ,, .

Рис. 5.1 Механические характеристики двигателя .

6. Расчет переходных процессов , М = f(t) в электроприводе за цикл работы.

Общие формулы при переходных режимах в двигателе:

(6.1).

(6.2).

где _0нач — скорость холостого хода характеристики, с которой начинается переходный процесс при t = 0;

₀ = М_с / - падение скорости на характеристике при нагрузке величиной М_с;

Т_м = J_прив / M = J_прив / - электромеханическая постоянная времени;

J_прив — приведенный момент инерции;

_нач — начальная скорость (при t = 0);

М_нач — начальный момент (при t = 0);

М_с — статический момент нагрузки;

= M / - жёсткость механической характеристики;

₀ — угловое ускорение, которое задаётся условием или вычисляется из уточнённой нагрузочной диаграммы.

Расчёт переходных процессов при пуске.

Определяем жёсткость механической характеристики:

..

Угловые ускорения при загруженном и пустом распределителе:

; (6.3).

;

;

Определяем электромеханическую постоянную времени:

с.

с.

Начальные условия: I=0; =0; М=0.

Переходный процесс при пуске состоит из трёх участков:

а) На первом участке двигатель неподвижен = 0, происходит нарастание момента (тока) двигателя М до величины, пока он не сравняется с М_c.

Начало движения задерживается на время t_з:

; (6.4).

;

.

Момент нарастает по линейному закону:

(6.5).

где t изменяется от нуля, до времени задержки t_з.

б) На втором участке происходит разгон от точки t_з (= 0; М = М_с1) и выход на естественную характеристику до точки t₀ (= ₁). Этот участок описывается уравнениями:

; (6.6).

. (6.7).

Поэтому необходимо в процессе расчёта следить за значениями и М. И прекратить расчёт, как только траектория движения выйдет на естественную характеристику. Данные по расчетам заносим в таблицу.

Таблица 6.1 Второй этап пуска для загруженного распределителя.

Таблица 6.2 Второй этап пуска для загруженного распределителя в обратную сторону.

Таблица 6.3 Второй этап пуска для разгруженного распределителя.

Таблица 6.4 Второй этап пуска для разгруженного распределителя в обратную сторону.

в) На третьем этапе разгона двигатель перемещается по естественной характеристике от ₁ до _с. Этот участок разгона описывается уравнениями:

; (6.7).

(6.8).

где М_{кон II} — конечное значение момента на втором участке, соответствующее скорости ₁.

Время разгона на третьем участке можно принять t_III = (3 4) Т_м:

;

.

Полученные результаты заносим в таблицы 6.5, 6.6, 6.7 и 6.8.

Таблица 6.5 Третий этап пуска для загруженного распределителя.

Таблица 6.6 Третий этап пуска для загруженного распределителя в обратную сторону.

Таблица 6.7 Третий этап пуска для разгруженного распределителя.

Таблица 6.8 Третий этап пуска для разгруженного распределителя в обратную сторону.

Расчёт переходных процессов при торможении.

На первом этапе двигатель тормозится до характеристики, обеспечивающей пониженную скорость, на втором — передвижение по характеристике пониженной скорости до _с пон и на третьем этапе — с _с пон до нуля.

Значения угловых ускорений для загруженного и разгруженного распределителя:

;

.

а) первый этап торможения с статического момента М_с до искусственной характеристики. Рассчитывается по формулам:

; (6.9).

. (6.10).

Полученные результаты заносим в таблицы 6.9, 6.10, 6.11 и 6.12.

Таблица 6.9 Первый этап торможения для загруженного распределителя.

Таблица 6.10 Первый этап торможения для загруженного распределителя в обратную сторону.

электропривод двигатель мощность управление Таблица 6.11 Первый этап торможения для разгруженного распределителя.

Таблица 6.12 Первый этап торможения для разгруженного распределителя в обратную сторону.

б) на втором этапе торможения идет движение по естественной характеристике от скорости ₁ до _пон, рассчитывается по формулам:

; (6.11).

(6.12).

где М₁ — момент, соответствующий скорости ₁.

Аналогично используя вычисления данных формул на ПК полученные результаты приводим в таблицах 6.13, 6.14, 6.15 и 6.16.

Таблица 6.13 Второй этап торможения двигателя при загруженном распределителе.

Таблица 6.14 Второй этап торможения двигателя при загруженном распределителе в обратную сторону.

Таблица 6.15 Второй этап торможения двигателя при разгруженном распределителе.

Таблица 6.16 Второй этап торможения двигателя при разгруженном распределителе в обратную сторону.

в) Третий этап начинается после отработки приводом заданное время пониженной скорости.

Этот участок описывается уравнениями:

; (6.13).

(6.14).

где М_{кон II} — конечное значение момента на втором участке, соответствующее скорости ₁.

Угловые ускорения при этом:

;

.

Вычисления производим также на ПК. Результаты приводим в таблицах 6.17, 6.18, 6.19 и 6.20.

Таблица 6.17 Третий этап торможения двигателя при загруженном распределителе.

Таблица 6.18 Третий этап торможения двигателя при загруженном распределителе в обратную сторону.

Таблица 6.19 Третий этап торможения двигателя при разгруженном распределителе.

Таблица 6.20 Третий этап торможения двигателя при разгруженном распределителе в обратную сторону.

Графики переходных процессов приводим на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 Переходные процессы W=f (М).

7. Построение точной нагрузочной диаграммы и проверка правильности выбранного двигателя.

Построение точной нагрузочной диаграммы.

Для построения точной нагрузочной диаграммы необходимо найти времена движения привода с номинальной скоростью. Время t_y находится, как и в предыдущем случае, исходя из требования прохождения определённого пути L за каждый режим работы. Общий оставшийся путь определяется как:

. (7.1).

Для нахождения каждого пути воспользуемся выражением:

. (7.2).

Таким образом определяем пути, пройденные при пуске.

На втором этапе пуска при загруженном распределителе:

На втором этапе пуска при разгруженном распределителе:

На третьем этапе пуска при загруженном распределителе:

На третьем этапе пуска при разгруженном распределителе:

На первом этапе торможения при загруженном распределителе:

На первом этапе торможения при разгруженном распределителе:

На втором этапе торможения при загруженном распределителе:

На втором этапе торможения при разгруженном распределителе:

На третьем этапе торможения при загруженном распределителе:

На третьем этапе торможения при разгруженном распределителе:

Пути, пройденные с пониженной скоростью, учитывая, что продолжительность движения на пониженной скорости 1 с.: Lпон. з=15,07 рад, Lпон. п=19,55 рад.

Тогда пути, пройденные приводом с номинальной скоростью:

при повороте загруженного распределителя на 60 градусов:

;

при повороте разгруженного распределителя на 60 градусов:

;

при повороте загруженного распределителя на 120 градусов:

;

при повороте разгруженного распределителя на 120 градусов:

;

при повороте загруженного распределителя на 180 градусов:

;

при повороте разгруженного распределителя на 180 градусов:

.

Определяем продолжительность движения с номинальной скоростью.

Для угла поворота распределителя 60 градусов:

;

.

Для угла поворота распределителя 120 градусов:

;

.

Для угла поворота распределителя 180 градусов:

;

.

Проверка выбранного электродвигателя.

После построения точной нагрузочной диаграммы (рис. 4.) приступаем к окончательной проверке правильности выбранного двигателя по нагреву и перегрузочной способности.

Проверка по нагреву проводим методом эквивалентных величин (тока, момента). В системе привода (ПЧ — АД) можно применить проверку выбранного двигателя методом эквивалентного момента, т.к. Ф = const и I М.

При вычислении эквивалентного момента сложной кривой, используем методы приближённого интегрирования, заменяя (разбивая) площадь, охватываемую (рис. 4 в. 1) — в. 2).) на элементарные фигуры: трапеции, треугольники, прямоугольники.

Эквивалентное значение для трапеции:

(7.3).

где , — стороны трапеции, Нм.

Для треугольника:

(7.4).

гдекатет треугольника, Нм.

Для прямоугольника:

, (7.5).

где — сторона прямоугольника, Нм.

После таких расчётов эквивалентный момент сложной кривой определяется как:

(7.6).

где — эквивалентное значение момента на i-том участке (треугольник, трапеция или прямоугольник), Нм;

— соответствующее этому моменту время, с.

Для облегчения расчетов и повышения их точности проведем вычисление эквивалентных моментов с помощью данных рассчитанных для общей диаграммы с помощью программы EXEL. При этом будем использовать формулу трапеции, как универсальную (если один из моментов равен 0, она вырождается в формулу для треугольника; при их равенстве — в формулу для прямоугольника).

Таблица 4. Расчет эквивалентных моментов.

Определяют фактическое значение ПВ_ф:

; (7.7).

.

Пересчитывается значение М_э на стандартное ПВ_ф выбранного двигателя:

; (7.8).

.

Определяется расчётная мощность:

. (7.9).

.

Так как, то двигатель по нагреву выбран правильно.

По перегрузочной способности двигатель будет выбран правильно, если:

(7.10).

где _m — перегрузочная способность двигателя, т. е.:

. (7.11).

Таким образом, по перегрузочной способности двигатель выбран верно.

Так как пусковые моменты больше статических:

М_П1=92,8>М_с1=60,8 Н? м, то по пусковым условиям двигатель выбран правильно.

8. Проектирование системы управления электроприводом.

Схема управления электроприводом распределителя доменной печи в данном случае должна обеспечить:

— пуск на номинальной скорости;

— работу на номинальной скорости;

— снижение скорости до пониженной;

— движение на пониженной скорости;

— точную остановку распределителя у соответствующей станции.

Также необходимо обеспечить реверс, так как распределитель должен возвращаться на станцию загрузки и далее перемещаться к другим станциям разгрузки. Последовательность движений распределителя к станциям по условиям технологического процесса: 0−1, 1−0, 0−2, 2−0, 0−3, 3−0, 0−4, 4−0, 0−5, 5−0.

При построении схемы управления необходимо учесть следующие особенности её работы:

— концевые выключатели Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 срабатывают только при движении от станции загрузки к соответствующим станциям разгрузки;

— концевой выключатель Q00 двухстороннего действия отдельно на каждую группу контактов;

— концевые выключатели Q11, Q22, Q33, Q44, Q55, Q01, Q02 после остановки механизма остаются нажатыми. Q00 также остаётся нажатым после остановки в соответствующем направлении;

— условно принимаем за положительное направление вращение по часовой стрелке (при взгляде сверху). Эта условность уже была применена в предыдущих расчётах;

— концевой выключатель Q01 срабатывает при подходе распределителя к станции загрузки 0 от станций разгрузки 1, 2, 3. Концевой выключатель Q02 срабатывает при подходе от станций разгрузки 4, 5.

Чиликин М.Г., Сандлер А. С. «Общий курс электропривода». Учебник для вузов. — 6-е изд., доп. И перераб. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 576 с.

Фираго Б.И. «Автоматизированные электроприводы». Учебно-методическое пособие к курсовому проектированию по теории электропривода для студентов специальности 1−53 01 05. — Мн.: БНТУ, 2005. — 126 с.