3764
.pdfФедеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия»
Электропривод и электромеханические системы
Методические указания к выполнению лабораторных работ
для студентов IV курса специальности 210200 (220301) – Автоматизация технологических процессов и производств (лесной комплекс)
Воронеж 2007
УДК 62-83
Поляков, С. И. Электропривод и электромеханические системы [Текст] : методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов IV курса специальности 210200 (220301) – Автоматизация технологических процессов и производств (лесной комплекс) / С. И. Поляков ; ГОУ ВПО «ВГЛТА»
– Воронеж, 2007. – 24 с.
Печатается по решению редакционно-издательского совета ГОУ ВПО «ВГЛТА»
Рецензент канд. техн. наук, доц. А.В.Смольянинов
3
Введение
Дисциплина «Электропривод и электромеханические системы» является составной частью подготовки дипломированных специалистов в области автоматизации технологических и производственных процессов. Поэтому приведенные здесь схемы управления и методики расчета электромеханических объектов рассматриваются с точки зрения эксплуатации их в составе автоматизированных систем. Расчет и выбор электродвигателя, определение его передаточных функций, расчет измерителя рассогласования и потенциометрического преобразователя выполнен как составная часть расчета контура автоматического регулирования. Предложенные методики могут быть использованы как в курсовом проектировании для соответствующей дисциплины, так и при выполнении дипломного проекта.
Лабораторная работа №1
Изучение схем управления электроприводом транспортирующих и грузоподъемных устройств
1 Постановка задачи Транспортирующие и грузоподъемные устройства применяются во всех
отраслях лесного комплекса и деревообрабатывающей промышленности и даже на тех производствах, где технологическая автоматика в виде систем с обратной связью отсутствует.
Как правило, все указанные механизмы строятся на основе электропривода, чаще переменного тока, которым управляют различные технологические датчики, причем схемы электропривода являются типовыми.
Рис. 1 Схема автоматического нереверсивного управления трехфазным короткозамкнутым двигателем
4
Рис. 2 Схема автоматического реверсивного управления трехфазным короткозамкнутым двигателем
КМ1 и КМ2 - магнитные пускатели (контакторы). Магнитный пускатель - малогабаритный контактор специального исполнения. Принцип действия реверсивного магнитного пускателя схематично показан на рис. 3, а внешний вид
– на рис. 4.
Рис. 3 Схема реверсивного магнитного пускателя
Рис. 4 Внешний вид магнитного пускателя ПМЕ 224/234 реверс
5
Пускатели предназначены для пуска, остановки и реверсирования трёхфазных асинхроных электродвигаелей с короткозамкнутым ротором, а также их защиты от перегрузок по току недопустимой продолжительности.
Как к элементу систем автоматического управления к электромагнитным пускателям предъявляются высокие требования по износостойкости. Классы изностостойкости: А, Б и В. Пускатели производятся в исполнениях с различной степенью защиты от прикосовений и внеших воздействий (IP00, IP20, IP40, IP54). Климатическое исполнение и категории размещения по ГОСТ
15150-69 и ГОСТ 15543.1-89.
Рис. 5 Схема автоматического динамического торможения трехфазного короткозамкнутого двигателя
Торможение противовключением
Для автоматизации торможения противовключением на двигателе устанавливают реле контроля скорости (РКС).
Упругие элементы РКС настраиваются таким образом, чтобы контакты QS замыкались при скорости равной 10-15% от номинального значения: ω= (0,1÷0,15)ωн.
6
Рис. 6 Схема торможения противовключением трехфазного электродвигателя с короткозамкнутым ротором
Схема управления трехфазным электродвигателем с фазным ротором
Чаще всего управление подобным приводом осуществляют в функции времени, в частности, по этому принципу осуществляют запуск двигателя.
Подобные приводы встречаются на транспортирующих и грузоподъемных машинах.
7
Рис. 7 Схема управления двигателем с фазным ротором
Перечисленные типовые схемы не только могут быть скомпонованы из отдельной аппаратуры, но и выпускаться промышленностью комплектно в виде так называемой станции управления.
К типовым относят также схему, позволяющую переходить с дистанционного управления приводом на местное управление и наоборот. Такой переход необходим при пусконаладочных работах; задача решается установкой переключателя режимов работы.
Рис. 8 Схема управления с переключателем работ
8
Кнопка «ПУСК» SB3 находится на пульте дистанционного управления, SB4 - на пульте местного управления, тоже и кнопка «СТОП». Переключатель SA обычно находится на пульте дистанционного управления.
Новые ГОСТы для переключателей SA допускают и другое начертание.
Рис. 9 Обозначение переключателя режима работ
2 Выполнение работы
1.Ознакомиться с составом, принципом действия принципиальных схем управления.
2.Описать работу приведенных схем.
Лабораторная работа №2
Расчет исполнительного устройства на базе исполнительного электродвигателя
Исходными данными для выбора мощности двигателя являются: постоянный (статический) момент нагрузки M ст , значение частоты вращения вала
рабочего органа ωн и угловое ускорение εн , а также момент инерции нагрузки
J н (табл. 1).
Таблица 1
Вариант |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
M ст , Н м |
500 |
750 |
100 |
125 |
150 |
175 |
200 |
225 |
250 |
300 |
Jн , кг м2 |
500 |
600 |
800 |
1000 |
15002000 |
2400 |
3000 |
4000 |
4500 |
|
ωн , 1 с |
1,2 |
1,1 |
1,0 |
0,5 |
0,4 |
0,2 |
0,15 |
0,11 |
0,10 |
0,10 |
εн , 1 с2 |
1,2 |
1,1 |
1,0 |
0,9 |
0,8 |
0,7 |
0,6 |
0,5 |
0,4 |
0,3 |
Указания к решению задачи
9
Движущий момент за вычетом динамического момента инерции двигателя, очевидно, равен сумме статического и динамического моментов нагрузки с учетом передаточного числа рабочего механизма (без учета КПД передачи):
M дв −εдв Jдв ≈ |
|
M ст +εн J н |
, |
(1) |
||||||
|
|
|||||||||
или |
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
M ст +εн J н |
|
|
|||
M дв −iεн Jдв ≈ |
|
, |
(2) |
|||||||
|
|
|||||||||
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
M |
|
|
|
J |
|
|
|
|
||
|
ст |
|
н |
|
|
|||||
Mдв = |
|
+ |
|
|
|
+i Jдв εн . |
(3) |
|||
i |
|
|
i |
|||||||
|
|
|
|
|
||||||
Значение оптимального передаточного числа, требующего минимальный момент двигателя при заданном ускорении εн , находят из условия d M дв 
di = 0 .
Дифференцируя уравнение (3) |
|
по i , получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4) |
||||||||||||||||||||||
|
0 = − |
M ст |
− |
|
J н |
εн |
+ Jдвεн , |
откуда |
M ст + J нεн |
|
= Jдвεн , |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
i2 |
|
|
i |
2 |
|
|
|
i2 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
т.е. |
|
i02 |
= |
|
M ст + J нεн |
|
, |
или i0 |
= |
|
|
M ст + J нεн |
|
. |
|
|
(5) |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Jдвεн |
|
J двεн |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Подставляя значение i в уравнение (3), получим M тр |
– потребный мо- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
мент двигателя при оптимальном передаточном числе редуктора. |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
С учетом значения i0 |
|
|
определим требуемую мощность исполнительного |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
двигателя: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Pтр = |
|
|
M двi0ωн = |
ωн (M ст + Jнεн |
+ Jдвεнi0 ); |
|
|
|
|
|
(6) |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
η |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
η |
(M ст + J нεн ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
P = |
1 |
ω |
|
M |
|
|
+ J |
ε |
|
+ |
Jдвεн |
|
= |
2 |
ω |
|
(M |
|
|
+ J |
ε |
|
), (7) |
||||||||||||||||
|
|
ст |
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
н |
ст |
н |
|||||||||||||||||||||||||
тр |
η |
|
н |
|
|
|
|
|
|
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
J двεн |
|
|
η |
|
|
н |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
где обычно η = 0,8 ÷0,9 |
(КПД передачи). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
= |
2ωн(Mст + Jнεн ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(7а) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тр |
|
|
|
|
|
975η |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из этого выражения следует, что при i = i0 |
мощность, потребляемая на- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
грузкой, и мощность на разгон ротора двигателя равны. Двигатель выбирают из каталога по первому условию достаточной величины его номинальной мощности: Pном ≥ Pтреб . При этом находят и значения nном ; M ном ; Jдв ; U упр ; I и T (номинальные значения оборотов в минуту, момента, напряжения управления – питания, тока якоря и постоянную времени).
Поскольку условие Pном = Pтреб иначе можно представить в виде
M номωном = M требωтреб , то при достаточной мощности двигателя он может не подойти либо по скорости (если ωном ωтреб ), либо по моменту (если M ном M треб ).
10
Выбранный двигатель проще вначале проверить по условию обеспечения
требуемой скорости выходного вала ИУ: |
|
|
|
|
|
(8) |
|||
ωном ≥ωтреб = i0ωн . |
|
||||||||
|
|
||||||||
Если условие (8) выполняется, следует проверить двигатель на соответст- |
|||||||||
вие требуемому моменту нагрузки: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M ст |
|
J н |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||||
M ном ≥ M треб = |
|
|
+ |
|
|
+ Jдв i0 |
εн . |
(9) |
|
i0 |
i0 |
||||||||
|
|
|
|
|
|||||
Если условие (9) не выполняется, допустимо проверку выполнять по ус- |
|||||||||
ловию |
|
≥ M треб , |
|
|
|
||||
M пуск |
|
|
(10) |
||||||
где M пуск ≈ 2M ном . |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
При проверке по значению M пуск |
дополнительно следует проверить усло- |
||||||||
вие обеспечения установившегося режима: |
i0 . |
|
(11) |
||||||
M ном ≥ M ст |
|
||||||||
|
|
||||||||
Если двигатель необходимой мощности не обеспечивает требуемых зна- |
|||||||||
чений скорости и момента (или при изменении передаточного числа для обеспечения скорости только момента), необходимо либо выбрать двигатель той же мощности, но с иным числом пар полюсов (или иным значением ωном ), либо пе-
рейти к проверке двигателя следующего значения Pном из ряда значений мощности.
|
|
|
|
|
Пример расчета |
|||||
Исходные |
данные: |
выбрать |
|
ИД, если момент статической нагрузки |
||||||
M ст = 2500 Н м; |
момент инерции нагрузки Jн = 5000 кг м2 ; требуемая скорость |
|||||||||
нагрузки ωн = 0,32 |
рад с; требуемое ускорение нагрузки εн = 0,34 рад с2 . |
|||||||||
Расчет: 1. Принимаем ориентировочно КПД редуктора η = 0,9 . |
||||||||||
2. Требуемая мощность ИД при этом согласно уравнению (7) |
||||||||||
Pтр = |
2 |
ωн (M ст + J нεн )= |
2(2500 +5000 0,34) |
0,32 = 3,06 кВт. |
||||||
|
|
|
|
|||||||
|
η |
|
|
|
|
0,9 |
|
|
||
По полученной мощности из табл. 2 выбираем двигатель МИ-42. Техни- |
||||||||||
ческие данные ИД: |
кВт; |
|
|
= 2500 об мин ; U ном =110 В; |
||||||
Pном = 3,2 |
nном |
|||||||||
M ном =12,5 |
Н м; |
Jдв |
= 662 10−4 кг м2 ; Iном = 36,3 A ; |
|||||||
|
|
|
|
|
Rя = 0,06 Ом. |
|||||
3. Оптимальное передаточное отношение редуктора: |
||||||||||
|
|
|
i = |
Mст + Jнεн |
|
= |
2500 +5000 0,34 = 431. |
|||
|
|
|
Jдвεн |
|||||||
|
0 |
|
662 10−4 0,34 |
|||||||
4. Проверка по скорости: |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
ωном = π nном = |
3,14 2500 |
= 262 рад с. |
|||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
30 |
|
|
30 |
|
|
|