Разработка электропривода прошивного стана трубопрокатного агрегата

Разработка электропривода прошивного стана трубопрокатного агрегата

Содержание

Введение

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 вместе со способом регулирования координат. Оценка и сравнение выбранных вариантов

4. Расчет силового электропривода

4.1 Расчет параметров и выбор электродвигателя

4.2 Расчет параметров и выбор силовых преобразователей

5. Расчет статических механических и электромеханических характеристик двигателя и привода

6. Расчет переходных процессов в электроприводе за цикл работы

6.1 Обоснование перехода к одно-массовой расчетной схеме

6.2 Расчет регуляторов и параметров структурной схемы

6.3 Расчет переходных процессов

7. Проверка правильности расчета мощности и окончательный выбор двигателя

8. Разработка схемы электрической принципиальной

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение

Целью выполнения данного курсового проекта является разработка электропривода прошивного стана трубопрокатного агрегата. Данный механизм предназначен для производства бесшовных труб.

В процессе проектирования требуется решить различные задачи, как то: расчет кинематической части и построение приведенной эквивалентной кинематической схемы, выбор способа реализации привода и типа приводного двигателя, расчет рабочих механических и электромеханических характеристик, проверка выбранного двигателя, разработка схемы электрической принципиальной и, наконец, построение графиков переходных процессов.

1. Анализ и описание системы "Электропривод− рабочая машина"

1.1 Количественная оценка вектора состояния или тахограммы требуемого процесса движения

В связи с тем, что регулирование скорости, исходя из текста задания, должно происходить с постоянством статического момента, то за номинальную скорость валков принимается их максимальная скорость. Тогда номинальная скорость двигателя должна быть равной:

 рад/с,

где− номинальная угловая скорость двигателя;

− максимальная рабочая угловая скорость валков;

− передаточное чисто редуктора.

Прокатный стан производит прокатку заготовок длинной  м, причем при работе с максимальной (номинальной) скоростью на это затрачивается время  с. Следовательно линейная скорость продвижения заготовки (прокатки) в валках будет равна:

 м/с;

Определим угол наклона оси валка к оси прошивки:

,

где− диаметр валка по бочке.

Определим угловую скорость вращения трубы при прокатке. При этом задаемся условием, в соответствии с которым труба прокатывается без скольжения, тогда угловая скорость вращения трубы при прокатке с максимальной скоростью будет равна:

рад/с,

где− наружный диаметр изготовленных труб.

По условию задано время цикла  с и время прокатки с. При регулировании с постоянством момента статического это время принимается за время работы с максимальной (номинальной) скоростью, тогда как при работе с минимальной скоростью, которая по заданию в пять раз меньше максимальной (номинальной) время цикла и прокатки соответственно увеличиваются в пять раз так как требуемый диапазон регулирования скорости .

В соответствии с найденными параметрами технологического процесса тахограмма принимает следующий вид:

Рисунок 1.1− Тахограмма технологического процесса

1.2 Количественная оценка моментов и сил сопротивления

В течение времени холостого хода привода двигатель нагружен моментом холостого хода, создаваемым силами трения. Он приводиться в задании:  Н*м;

Момент на валу двигателя во время прокатки:

 Н*м,

где− статический момент на оси валков;

− КПД передач.

1.3 Составление расчетной схемы механической части электропривода

Кинематическая схема электропривода прошивного стана трубопрокатного агрегата изображена на рисунке 1.2

Рисунок 1.2− Кинематическая схема установки.

На рисунке введены следующие обозначения:

1− муфта;

2− электродвигатель;

3− редуктор;

4− шпиндель;

5− рабочий валок;

6− оправка;

8−стержень;

8− заготовка.

Полная эквивалентная приведенная кинематическая схема изображена на рисунке 1.3

Рисунок 1.3− Полная эквивалентная приведенная кинематическая схема установки

На рисунке обозначены:

1− момент инерции ротора двигателя;

2,3,5,6− момент инерции полумуфты;

4− момент инерции редуктора;

7− момент инерции шпинделя;

8− момент инерции рабочего валка;

9− момент инерции заготовки.

Для расчета приведенных моментов инерции и жесткостей к скорости вала электродвигателя используем следующие формулы:

;

;

где− момент инерции −го элемента;

− приведенный момент инерции −го элемента;

− жесткость −го элемента;

− приведенная жесткость −го элемента;

− передаточное отношение для −го элемента.

− инерционность двигателя пока неизвестна. ;

 кг*м2− момент инерции полумуфты.  кг*м2;

 кг*м2− момент инерции второй полумуфты.  кг*м2;

− момент инерции редуктора. , т.к исходя из условия задания момент инерции прочих элементов кинематической схемы составляет 20% от момента инерции двигателя;

 кг*м2− момент инерции полумуфты.  кг*м2;

 кг*м2 − момент инерции полумуфты.  кг*м2;

 кг*м2 − момент инерции шпинделя.  кг*м2;

Масса одного валка может быть определена по формуле:

,

где м− радиус валка по бочке;

 м− высота половины валка (усеченного конуса);

 кг/м3− плотность материала валка (ориентировочно);

− радиус валка по основанию;

 м,

где− угол образующей конуса.

 кг.

Момент инерции одного валка можно определить по формуле:

 кг*м2;

 кг*м2;

− момент инерции заготовки при прокатке (суммарный от вращательного и поступательного движения), т.к исходя из условия задания момент инерции прочих элементов кинематической схемы составляет 20% от момента инерции двигателя, а для определения реального момента инерции заготовки недостаточно данных (нет диаметра заготовки);

 Н*м/рад− жестокость муфты.  Н*м/рад;

 Н*м/рад − жестокость муфты.

 Н*м/рад;

 Н*м/рад − жестокость шпинделя.

 Н*м/рад.

Далее приведем схему с рисунка 3.1 к двухмассовой. Для упрощения записи индекс  ставиться не будет. Имеются ввиду величины, приведенные к скорости двигателя.

; ;

;

Выполним преобразование парциального звена типа А () в парциальное звено типа Б:

 Н*м/рад;

;

 кг*м2;

;

 Н*м/рад;

Тогда имеем следующую приведенную трехмассовую расчетную схему:

Рисунок 1.4− Трехмассовая расчетная схема

Опять преобразуем парциальное звено типа А () в звено типа Б.

 Н*м/рад;

;

;

Тогда получаем следующую двухмассовую расчетную схему:

Рисунок 1.5− Двухмассовая расчетная схема

;

;

 Н*м/рад.

1.4 Построение нагрузочной диаграммы и механической характеристики рабочей машины

Механическая характеристика рабочей машины построена в графической части.

В связи с тем, что за цикл работы скорость вращения двигателя, исходя из приведенной выше тахограммы, не изменяется, следовательно не о каких динамических моментах речи быть не может (на данном этапе проектирования). Таким образом нагрузочная диаграмма примет следующий вид:

Рисунок 1.4− Нагрузочная диаграмма

Рисунок 1.5− Тахограмма технологического процесса

2. Анализ и описание системы "электропривод−сеть" и "электропривод−оператор"

Привод прошивного стана трубопрокатного агрегата ввиду довольно большой мощности подключен к промышленной трехфазной сети переменного напряжением 6,3 кВ и стандартной частотой 50 Гц.

Вследствие высоких технологических требований к процессу прокатки, очевидно, что будет применена двухконтурная замкнутая система подчиненного регулирования скорости.

Включаться привод будет один раз в смену, причем пуск будет производиться на холостом ходу. Далее будет происходить автоматический процесс прокатки, не требующий непосредственного участия оператора.

Напряжение на управляемый выпрямитель подается при помощи автоматического выключателя QF1. После этого при помощи кнопки "Пуск", входящей в состав тиристорного преобразователя включаются двигатели. Скорость прокатки задается при помощи задающего резистора.

3. Выбор принципиальных решений

3.1 Построение механической части электропривода

Построение механической части электропривода на данном этапе оставим в соответствии с кинематической схемой, приведенной на рисунке 1.2

3.2 Выбор типа привода вместе со способом регулирования координат. Оценка и сравнение выбранных вариантов

Для выбора наиболее подходящего типа привода при отсутствии надлежащего опыта проектирования как такового воспользуемся методом экспертных оценок. При выборе будем учитывать следующие условия:

Продолжительный режим работы установки (да и двигателя так же);

Ударная нагрузка;

Соответствие двигателя найденному эквивалентному моменту;

Значительная мощность привода.

Анализ нескольких литературных источников и личные измышления дали следующие варианты решения данной задачи:

Двигатель постоянного тока− управляемый выпрямитель (ДПТ−УВ);

Генератор − двигатель (Г−Д);

Асинхронный двигатель− преобразователь частоты (АД−ПЧ);

Синхронный двигатель− преобразователь частоты (СД−ПЧ);

Каскадная схема (К);

Двигатель постоянного тока с реостатом (ДПТ−Р);

Асинхронный двигатель с фазным ротором и реостатом (АДФ−Р)

В связи с тем, что мощность двигателя достаточно велика, то при введении добавочных сопротивлений в силовую цепь будут значительные джоулевы потери, следовательно варианты №6 и №7 сразу отпадают. Оставшиеся варианты рассмотрим более подробно при помощи оценочной диаграммы, представленной на рисунке 3.1:

Подсчет суммарных оценок осуществим по формуле 3.1:

,

где− суммарная оценка;

− оценка по параметру;

− показатель.

Таким образом после подсчетов оценки распределились следующим образом:

Оценочная диаграмма.

Рисунок 3.1− Оценочная диаграмма

Таблица 3.1- Критерии оценки

Таким образом выбираем вариант ДПТ−УВ.

4. Расчет силового электропривода

4.1 Расчет параметров и выбор электродвигателя

Оценить потери в двигателе можно методом средних потерь. Однако для применения этого метода необходимо знать зависимость коэффициента полезного действия двигателя от мощности на валу:; (4.1)

В соответствии с формулой (4.1) потери можно определить методом эквивалентного тока, но для этого необходимо значение тока двигателя при различных нагрузках.

Очевидно, что вышеупомянутые два метода можно применять как проверочные.

Так как по условию , то в двигателе постоянного тока необходимо управление "по якорю", тогда возбуждение двигателя остается постоянным, и, следовательно: ; (4.2)

Тогда можно применять метод эквивалентного момента, а так как скорость за цикл должна оставаться постоянной, то даже можно применять метод эквивалентной мощности, но воспользуемся методом эквивалентного момента.

В обще виде:

; (4.3)

Интеграл можно заменить суммой:

; (4.4)

Воспользовавшись рисунком 1.4, запишем выражение для :

 Н*м;

Предварительно посмотрев справочную литературу по металлургическим электродвигателям за номинальную скорость двигателя принимаем  об/мин. тогда угловая скорость равна:

 рад/с. (4.5)

Тогда требуемая мощность двигателя может быть вычислена по следующей формуле:

 Вт. (4.6)

При расчете эквивалентного момента не учитывалось ухудшение охлаждения двигателя при работе на пониженных скоростях в связи с тем, что двигатели такой мощности оснащаются независимым вентилятором типа "наездник".

Исходя из вышесказанного, принимаем двух двигательный привод. Двигатели работают на общий вал, и включены в цепь последовательно для обтекания одним током и, соответственно, для одинаковой загрузки.

Выбираем двигатели постоянного тока МСП 300-1210 Т. Основные требуемые для расчета данные электродвигателя следующие:

Номинальная мощность электродвигателя:  Вт;

Номинальное напряжение питания якоря:  В;

Коэффициент перегрузки по току: ;

Номинальная скорость вращения:  об/мин; тогда соответственно по формуле 4.5 имеем:

 рад/с.

Номинальный ток якоря:  А; сопротивления обмотки якоря (все сопротивления даны для температуры 150 С):  Ом; сопротивление обмотки дополнительных полюсов:  Ом; сопротивление компенсационной обмотки:  Ом; сопротивление обмотки возбуждения:  Ом; напряжение обмотки возбуждения:  В; количество пар полюсов: ; момент инерции якоря  кг*м2; падение напряжения на щетках одного двигателя:  В; соотношение , следовательно, по перегрузочной способности двигатель подходит.

4.2 Расчет параметров и выбор силовых преобразователей

Исходя из требуемого напряжения питания двигателей (напряжение удвоенное в связи с последовательным соединением якорных обмоток) и расчетной мощности выбираем трансформатор: ТМНПД-5000/10 У2; исполнение 5, соединение обмоток .

Паспортные данные трансформатора:

Номинальная полная мощность трансформатора:  ВА;

Потери холостого хода:  Вт;

Потери короткого замыкания:  Вт;

Напряжение первичной обмотки:  В;

Напряжение вторичной обмотки:  В;

Напряжение короткого замыкания: %;

Номинальная частота сети:  Гц,  рад/с.

Рассчитаем параметры трансформатора:

Номинальный фазный ток вторичной обмотки:

 А; (4.7)

Активное сопротивление фазы вторичной обмотки:

 Ом; (4.8)

Полное сопротивление фазы вторичной обмотки трансформатора:

 Ом; (4.9)

Индуктивное сопротивление фазы вторичной обмотки:

 Ом; (4.10)

Индуктивность фазы вторичной обмотки:

 Гн; (4.11)

Так же, исходя из вышеописанных соображений, выбираем тиристорный преобразователь ТПП1.

Паспортные данные преобразователя и некоторые данные для дальнейшего расчета:

Реверсивный;

Изготовлен по мостовой 6-ти пульсной схеме ;

Номинальное выпрямленное напряжение преобразователя:  В;

Номинальный выпрямленный ток:  А;

Падение напряжения на вентилях:  В;

Коэффициент запаса по току: ;

Коэффициент схемы по току: ;

5. Расчет статических механических и электромеханических характеристик двигателя и привода

Все расчеты будут проведены для одного двигателя исходя их тех предположений, что напряжение распределяется по якорным обмоткам равномерно, ток общий, момент- одинаковый. Нагрузка на один двигатель принимается половиной от общей:  Н*м,  Н*м, номинальная скорость двигателя  рад/с.

Приведем сопротивления к рабочей температуре:

Коэффициент приведения равен:

; (5.1), ;

где0 С- температура, при которой дано сопротивление обмоток двигателя в паспортных данных;

0 С- рабочая температура двигателя с классом изоляции В.

Сопротивление якорной обмотки без учета падения напряжения на щетках:

; (5.2),  Ом;

Полное сопротивление якорной цепи двигателя:

 Ом; (5.3)

Индуктивность якорной цепи (по формуле Ленвиля-Уманского):

 Гн, (5.4)

где- эмпирический коэффициент (при наличии компенсационной обмотки).

Максимальная ЭДС преобразователя:

; (5.5), ;

Ориентировочно оценим минимальное требуемое значение ЭДС преобразователя, учитывая диапазон :

; (5.6)

Найдем требуемую индуктивность сглаживающего дросселя из условия максимально-допустимых пульсаций тока нагрузки, равных 5%, :

Максимальный (ориентировочно) угол управления:

 рад; (5.7)

Коэффициент для мостовой схемы:

; (5.8), ;

Требуемое индуктивное сопротивление сглаживающего дросселя:

; (5.9)

 Гн; (5.10)

Выбираем сглаживающий дроссель СРОС3-800МУХЛ4, его паспортные данные:

Номинальный ток дросселя:  А;

Номинальное сопротивление дросселя:  Гн.

Номинальные потери в меди дросселя:  Вт;

Ставим последовательно 2 дросселя: .

Суммарная индуктивность сглаживающего дросселя:

 Гн; (5.11)

Суммарное активное сопротивление сглаживающего дросселя:

 Ом; (5.12)

Эквивалентное сопротивление коммутации:

 Ом; (5.13)

Полное эквивалентное сопротивление якорной цепи одного двигателя:

; (5.14)

 Ом;

Полная индуктивность якорной цепи (учитывая, что вторичная обмотка трансформатора соединена в треугольник и используется мостовая схема, которая "работает" с линейными напряжениями, а, следовательно, ток нагрузки течет только по одной из обмоток трансформатора):

; (5.15)

 Гн;

Определим конструктивный коэффициент двигателя, связывающий противоЭДС и скорость вращения вала двигателя:

; (5.16)

 В*с/рад;

Момент на валу, развиваемый электродвигателем:

 Н*м; (5.17)

Электромагнитный момент двигателя:

 Н*м; (5.18)

Найдем относительную разницу между электромагнитным моментом и моментом на валу:

; (5.19)

Так как разница более 5%, то для дальнейших расчетов найдем конструктивный коэффициент двигателя, связывающий момент на валу двигателя и с током якоря:

 Н*м/А; (5.20)

Угол управления при номинальной скорости и номинальной нагрузке:

; (5.21)

рад;

о; (5.22)

Угол управления при минимальной скорости и номинальной нагрузке:

; (5.23)

рад;

о;

Угол управления при номинальной скорости и нагрузке холостого хода:

; (5.24)

 рад;

о;

Угол управления при минимальной скорости и минимальной нагрузке:

; (5.25)

 рад;

о;

Очевидно, что максимальный угол управления в установившемся режиме соответствует  о, а минимальный угол управления соответствует о. Найдем граничные токи и соответственно моменты для двух этих углов:

Для  (номинальная скорость и номинальная нагрузка):

; (5.26)

;

 А;

 Н*м;

Для  (минимальная скорость, нагрузка холостого хода):

; (5.26)

;

 А;

 Н*м;

Очевидно, что в статике режим прерывистых токов отсутствует при изменении нагрузок и скоростей в пределах, соответствующих заданию.

Далее рассчитаем и построим механические и электромеханические характеристики привода в разомкнутом состоянии:

Зону непрерывных токов в принципе можно было строить по 2-м точкам ( или ) и ( или ) но мы возьмем для наглядность несколько точек.

Зададимся 4-мя значениями момента. . Тогда скорость двигателя для угла управления  будет равна:

; (5.27)

;

;

Результаты расчетов и графики находятся в приложении А.

Скорость двигателя для угла управления  будет равна:

; (5.28)

;

;

Результаты расчетов и графики находятся так же в приложении А.

Зону прерывистых токов рассчитаем так же по точкам. Зададимся 10-ю значениями . Значения углов занесены в массив Расчеты будут производится для тех же двух углов управления, что и предыдущие. Тогда ток, момент и скорость двигателя в зоне прерывистых токов будут равны:

; (5.29)

;

; (5.30)

; (5.31)

;

Результаты расчетов и графики находятся так же в приложении А.

Страницы: 1, 2