124114 (Разработка электропривода моталки для свертывания металлической полосы в рулоны)

3

Содержание

1. Анализ и описание системы «электропривод—рабочая машина»

1.1 Количественная оценка вектора-состояния или тахограммы требуемого процесса движения

1.2 Количественная оценка моментов и сил сопротивления

1.3 Составление расчетной схемы механической части электропривода

1.4 Построение нагрузочной диаграммы и механической характеристики рабочей машины

2. Анализ и описание системы «электропривод—сеть» и «электропривод—оператор»

3. Выбор принципиальных решений

3.1 Построение механической части электропривода

3.2 Выбор типа привода (двигателя)

3.3 Выбор способа регулирования координат

3.4 Оценка и сравнение выбранных вариантов

4. Расчет силового электропривода

4.1 Расчет параметров и выбор двигателя

4.2 Расчет и выбор силовых преобразователей

5. Расчет статических механических и электромеханических характеристик двигателя и привода

6. Расчет переходных процессов в электроприводе за цикл работы

7. Проверка правильности расчета мощности и окончательный выбор двигателя

8. Разработка схемы электрической принципиальной

8.1 Разработка схемы силовых цепей, цепей управления и защиты

8.2 Выбор элементов схемы

Заключение

Приложение А

Введение

Задачей данного курсового проекта является разработка электропривода моталки. Моталка предназначена для свертывания металлической полосы в рулоны.

При намотке необходимо поддерживать постоянную скорость намотки и силу натяжения. По мере свертывания увеличивается радиус намотки, поэтому для обеспечения условий работы необходимо уменьшать скорость.

1 Анализ и описание системы «электропривод—рабочая машина»

1.1 Количественная оценка вектора-состояния или тахограммы требуемого процесса движения

При подходе полосы к барабану, барабан разгоняется до пониженной скорости 9 рад/с. Далее он делает несколько оборотов с пониженным натяжением. Для контроля натяжения используется датчик натяжения компенсационного типа. После этого двигатель разгоняется, чтобы получить требуемое натяжение полосы. Далее двигатель отслеживает линейную скорость полосы на краю барабана.

После намотки полосы двигатель тормозится под действием момента холостого хода.

Цикл намотки повторяется через 55 секунд.

Время намотки определяется исходя из длины полосы и линейной скорости, с которой она поступает с рольганга:

сек.

Время цикла задано и составляет 55 с.

Начальная и конечная скорости вращения барабана, определяются в зависимости от линейной скорости движения полосы, а также начального и конечного радиуса барабана:

рад/с. рад/с

Конечная скорость будет при максимальной загрузке, поэтому регулирование будем вверх от основной. Значение передаточного числа редуктора не задано. Оно рассчитывается исходя из скорости барабана и скорости электродвигателя. По заданию дана максимальная скорость двигателя в 102 рад/с. Но для уменьшения массогабаритных показателей двигателя лучше выбрать двигатель с номинальной частотой вращения 157 рад/с. Тогда в начале намотке он будет работать со скоростью 314 рад/с.

Передаточное число редуктора:

Выбираем редуктор со стандартным передаточным отношением равным 10.

Тогда скорости вращения двигателя в начале и в конце цикла будут равны:

Тахограмма рабочего процесса имеет вид:

Рисунок 1.3—Тахограмма рабочего процесса

1.2 Количественная оценка моментов и сил сопротивления

При увеличении радиуса барабана, сила натяжения остается постоянной, следовательно, статический момент увеличивается.

Также при намотке увеличивается вес барабана, значит, увеличивается сила трения. Момент трения составляет 10% от начального значения М_{Полезного}. Примем вес барабана равным весу наматываемой полосы. Тогда в конце намотки момент трения будет в два раза больше.

Момент суммарный будет равен:

Момент сопротивления, приведенный к валу двигателя, будет равен:

1.3 Составление расчетной схемы механической части электропривода

Расчетная схема электропривода имеет вид двух масс, соединенных упругим звеном—эластичной муфтой.

Первая масса включает в себя: момент инерции двигателя и момента инерции полумуфты:

кг*м²

Вторая масса включает: момент инерции полумуфты, момент инерции редуктора, приведенного к валу двигателя, момент инерции барабана, также приведенного к валу двигателя.

В конце намотки момент инерции второй массы увеличивается, т.к. на барабан наматывается 550 кг полосы. При этом момент инерции рулона рассчитывается как момент инерции кольца с радиусами 0,3 м и 0,6 м.

кг*м²

Тогда момент инерции второй массы в конце намотки будет равен:

кг*м²

Обоснование перехода к одномассовой расчетной схеме:

• на второй массе нет датчиков;

• частота собственных колебаний:

условие перехода: Т_{рег. жел}> >0.0166

Как показано ниже Т_ привода составляет 0,02. Значит можно перейти к одномассовой расчетной схеме.

1.4 Построение нагрузочной диаграммы и механической характеристики рабочей машины

Нагрузочная диаграмма имеет вид:

• В начале цикла до выхода на номинальный режим натяжение ленты отсутствует. На двигатель действует только момент, создаваемый силой трения.

• После совершения нескольких оборотов двигатель входит в режим поддержания постоянного натяжения полосы. При этом по мере увеличения радиуса барабана момент также увеличивается.

Рисунок 1.2—Нагрузочная диаграмма

Для построения механической характеристики рабочей машины необходимо совместить нагрузочную диаграмму и тахограмму. Для наглядности при построении по вертикальной оси будем откладывать скорость, а не момент.

Рисунок 1.3—Механическая характеристика рабочей машины

2 Анализ и описание системы «электропривод—сеть» и «электропривод—оператор»

Электропривод подключается к сети 380 В. Преобразователь обеспечивает согласование между двигателем и сетью. Между сетью и преобразователем стоит автоматический выключатель. Пуск двигателя происходит при срабатывании датчика, показывающего, что на барабан поступила лента. Пуск двигателя регулируемый. Для задания скорости двигателя используется контур регулирования натяжения.

Электропривод работает без оператора.

3 Выбор принципиальных решений

3.1 Построение механической части электропривода

Механическая часть привода состоит из эластичной муфты, редуктора с передаточным отношением 10 и барабана радиусом 0,3 метра.

3.2 Выбор типа привода (двигателя)

Для поддержания постоянного натяжения и постоянной линейной скорости наматываемой ленты необходимо использовать замкнутую систему регулирования. Для построения такой системы необходимо иметь привод с возможностью плавного регулирования скорости. К таким приводам относятся: УВ—ДПТ с управлением по потоку, АИТ—АД, АИН—АД с векторным управлением.

Таблица 3.1—Оценочная диаграмма

Как видно из оценочной диаграммы наилучшим типом привода будет АД с частотно-токовым управлением.

3.3 Выбор способа регулирования координат

Регулирование координат будем проводить по отклонению их от заданного значения.

Датчик скорости вращения двигателя реализован с помощью тахогенератора.

В процессе намотки необходимо, чтобы линейная скорость ленты на барабане равнялась линейной скорости на рольганге. Проконтролировать это можно с помощью датчика натяжения компенсационного типа, который одновременно является натяжным устройством.

При превышении линейной скорости на барабане над линейной скоростью на рольганге, длина ленты между барабаном и рольгангом будет уменьшаться. Это вызовет смещение датчика натяжения от точки задания. При этом возвратная пружина увеличит натяжение ленты, а значит увеличится момент, прикладываемый к барабану. Также увеличится сигнал обратной связи по натяжению. Это заставит регулятор натяжения уменьшить сигнал задания скорости. Скорость барабана уменьшится, уменьшится линейная скорость и датчик натяжения вернется в первоначальное положение.

Натяжение ленты описывается следующей зависимостью:

С_УПР — коэффициент упругости ленты. Хоть сама лента и не растягивается (она металлическая), но «свободный ход» датчика натяжения влияет на этот коэффициент. Так если принять жесткость самой ленты равной бесконечности, то С_УПР будет равен половине жесткости возвратной пружины датчика (по закону «подвижного блока»).

Таким образом, датчик натяжения выполняет две функции: натяжение материала и контроль разницы линейных скоростей.

1. Оценка и сравнение выбранных вариантов

Для наглядности приведем оценочную диаграмму:

Рисунок 3.1—Оценочная диаграмма

4 Расчет силового электропривода

4.1 Расчет параметров и выбор двигателя

В разрабатываемом механизме необходимо передать постоянную мощность на нагрузку: постоянное натяжение при постоянной линейной скорости.

Р_{полезная}=F_натяж.*V_бараб.

Мощность, затрачиваемая на действие сил трения в барабане, также будет постоянной, т.к. момент трения в конце намотки увеличивается в два раза, а скорость барабана уменьшается в два раза.

Требуемая мощность двигателя рассчитывается для начала или для конца намотки:

Р_ДВИГ.=М_С.К..*w_КОН./h=1188*146,7 / 0,95=18,4 кВт

Но т.к. двигатель работает не постоянно, а с некоторой ПВ, то производится пересчет двигателя. Для начала рассчитаем ПВ двигателя. По заданию сказано, что после намотки двигатель тормозится под действием силы трения, а время между началами циклов намотки равно 55 сек. Оценим время торможения привода под действием силы трения:

При М_торм=М_{трения кон.}=10,8 Н*м, время торможения будет равно: =110 с. Видно, что необходимо затормозить барабан двигателем, чтобы вложиться во время, отведенное для остановки: 55-12,5=42,5 с.