Проект електроприводу машин і апаратів

Зміст

Завдання

Введення

1. Вибір роду струму й напруги двигуна

2. Вибір номінальної швидкості двигуна

3. Вибір конструктивного виконання двигуна

4. Вибір двигуна по потужності

5. Розрахунок потужності й вибір електродвигуна для тривалого режиму роботи

6. Пристрій і принцип дії двигуна постійного струму

6.1 Електромагнітна схема

6.2 Одержання постійної е.д.с. якоря

6.3 Конструкція сучасної машини постійного струму

6.4 Принцип дії генератора

6.5 Принцип дії двигуна

7. Позначення елементів і зображення схеми автоматизованого пуску двигуна

8. Автоматизація пуску двигуна у функції часу

9. Електричні реле

Висновок

Література

Завдання

Вибрати електродвигун привода технологічного апарата за вихідними даними:

Призначення електродвигуна - для привода з регулюванням швидкості в широкому діапазоні, що забезпечує гарні пускові якості й перевантажувальну здатність.

Вид автоматизованого пуску - у функції часу.

По призначенню привода визначити тип двигуна. Вибір двигуна здійснити по середній потужності навантаження без перевірки його по нагріванню. Скласти схему автоматизованого пуску двигуна. Описати конструктивні елементи двигуна й пускової апаратури (реле, контакторів, магнітних пускачів, автоматичних вимикачів)

Таблиця 1. Вихідні дані

Введення

Продуктивність механізму, продукції, що випускається або хід технологічного процесу багато в чому залежать від електродвигуна. Правильний вибір типу двигуна й особливо його номінальної потужності мають велике народногосподарське значення, оскільки визначають первісні витрати й вартість експлуатаційних витрат електропроводу.

Вітчизняна електротехнічна промисловість випускає широку номенклатуру типів електродвигунів різних діапазонів потужностей, частот обертання, конструктивного використання.

У каталогах наводяться номенклатурні дані про механічну потужність двигуна, частоті обертання, напругу, струм, а так само про кратність (по відношенні до номінального) пускового струму, пускового й максимального моментів асинхронних двигунів. Крім того, приводиться відомості про масо габаритних і настановні розміри електродвигуна, у його конструктивному виконанні.

У завдання вибору електродвигуна входить:

- вибір роду струму й номінальної напруги;

- вибір номінальної частоти обертання;

- вибір конструктивного виконання;

- визначення номінальної потужності й вибір двигуна по каталозі.

У виробничих умовах не завжди потрібно вирішувати весь комплекс цих питань. Частина їх буває заданою: рід струму, напруга, частота обертання. Основне значення при цьому має правильне визначення потужності й конструктивного типу двигуна.

Перш ніж вирішувати завдання вибору електродвигуна, необхідно чітко уявляти собі роботу механізму, для якого його підбирають: чи буде двигун з механізмом працювати довгостроково або короткочасно, з постійною або регульованою швидкістю, чи буде змінюватися (і як) момент опору й потужність при роботі.

1. Вибір роду струму й напруги двигуна

В основу цього вибору покладені економічні міркування. Електродвигуни мають високу вартість, тому що є складними виробами, у яких використовуються коштовні електротехнічні матеріали, розраховані на тривалий термін служби (20 років). Тому вибір починають із «приміряння» придатності для привода найпростіших і дешевих двигунів - трифазних асинхронних із КЗ - ротором і до самих складних і дорогих - двигунів постійного струму.

По призначенню вибираємо тип двигуна - постійного струму [1, стор.448]. Вибір роду струму електродвигуна визначають і вибір його номінальної напруги, що звичайно беруть рівним напрузі джерела електроживлення цеху, заводу, будівництва (найчастіше це трифазна мережа з основною напругою 380/220 У). Підвищення або зниження напруги для двигунів за допомогою трансформаторів, застосування випрямлячів для двигунів постійного струму приводить до збільшення витрат на електроустаткування.

2. Вибір номінальної швидкості двигуна

Висока швидкість електродвигуна дозволяє зменшити його габаритні розміри, масу й вартість. Для узгодження швидкостей двигуна й механізму ставлять редуктор, що здорожує електропривод. Питання про раціональне співвідношення двигун - редуктор вирішується конструктором при проектуванні механізму.

3. Вибір конструктивного виконання двигуна

Конструктивне виконання сучасних серій електродвигунів ураховує три фактора: захист від впливу навколишнього середовища, забезпечення охолодження й спосіб монтажу.

По способі захисту від впливу навколишнього середовища електродвигуни виготовляють у захищеному, закритому виконанні.

Захищені від влучення дрібних предметів і краплі двигуни призначені для роботи в сухих незапорошених місцях.

Закриті двигуни встановлюють у приміщеннях з підвищеною вологістю, атмосферою, забрудненою пилом з металевими включеннями, парами масла або гасу.

Викоренення двигуни мають корпус, здатний витримувати зривши газу усередині машини й викид, що виключає при цьому, полум'я в навколишнє середовище.

По способі охолодження розрізняють двигуни із природним охолодженням, самовентиляцією внутрішнім або зовнішньої й стороннім продувом (примусовим).

По способі монтажу є двигуни з горизонтальним розташуванням вала й станиною на лабетах, з вертикальним розташуванням вала й фланцем на нижньому щиті й т.д. Обираний двигун повинен мати той же спосіб установки, кріплення й з'єднання з механізмом, що є замінним.

4. Вибір двигуна по потужності

Завершальним етапом є визначення номінальної потужності двигуна й вибір по ній у каталозі підходящого двигуна. Однак номінальну потужність просто визначити тільки при тривалій роботі з постійним навантаженням, що і приймають за номінальну. У переважній більшості випадків момент, потужність і струм двигуна змінюються в часі. Навантажувальні діаграми двигунів багатьох механізмів включають періоди роботи й пауз. При подібного змінного навантаження двигун повинен умовам припустимого нагрівання, мати максимальний момент, достатнім для подолання можливих короткочасних перевантажень і при пуску з великим навантаженням мати надлишковий пусковий момент для забезпечення розгону привода.

Максимальний момент, що характеризує перевантажувальну здатність, а так само пусковий момент визначаються електромагнітними властивостями двигуна.

5. Розрахунок потужності й вибір електродвигуна для тривалого режиму роботи

Визначення номінальної потужності двигуна для роботи в тривалому режимі зі змінним навантаженням зводиться до підрахунку потужності Рс виконавчого механізму, наведеної до вала двигуна (з обліком к.п.буд. передач, редукторів і т.д.). По отриманій потужності Р у каталогах вибирають двигун з номінальною потужністю РНОМ>Р_с

k=1.1?1.3 , де k - коефіцієнт запасу.

По [2] вибираємо двигун змінного струму марки 4ПФ132L.

Таблиця 2. Довідкові дані електродвигуна змінного струму марки

Електродвигуни постійного струму часто є виконавчими ланками систем автоматичного регулювання, а спеціальні генератори використовуються як підсилювачі електричних сигналів керування і як тахогенератори - датчики частоти обертання.

Найпоширеніша є машини запрошеного застосування серії П, що випускаються як двигуни або як генератори на потужності 0,15 - 200 кВт, частоти обертання 2870 - 550 про/хв (могутніші - тихохідні), напруги 110 - 460 У.

При цілому ряді переваг машини постійного струму мають істотний недолік, пов'язаний з роботою так званого колекторного вузла. При певних несприятливих умовах щітки можуть іскрити, що знижує надійність роботи й вимагає нагляду й догляду за машиною.

6. Пристрій і принцип дії двигуна постійного струму

6.1 Електромагнітна схема

У машині постійного струму створюється нерухливе магнітне поле полюсів статора, у якому обертається ротор з розташованими на ньому провідниками, що утворять робочу обмотку.

Розглянемо докладніше схему будови машини постійного струму. На мал. 2 показана магнітна система двохполюсної машини й картина поля в ній. Основні полюси укріплені на внутрішній поверхні порожнього сталевого циліндра — станини, що є частиною муздрамтеатру. На полюсах перебувають котушки -, з'єднані послідовно й утворюючу обмотку збудження. Магнітне поле створюється струмом порушення I_в у котушках (рідше постійними магнітами). Ланцюг порушення - це допоміжний ланцюг машини. Картина магнітного поля зображена на мал. 2 магнітними лініями.

Рис. 2. Магнітне поле машини

Магнітна система й поле машини симетричні щодо поздовжніх осей полюсів N₀—S₀. Лінії, що проходять посередині між суміжними полюсами, називають поперечними магнітними осями, а їхні сліди на поверхні якоря - геометричними нейтралями. Ротор з робочою обмоткою в машинах постійного струму називають якорем. Для рівномірного розподілу магнітної індукції в зазорі між полюсами і якорем служать полюсні наконечники, що як би охоплюють якір. Обмотка якоря складається з покладених на поверхні (у пазах) ротора «активних» провідників, з'єднаних у витки (секції, див. мал. 10) так, що вона завжди являє собою замкнутий контур.

Оскільки обмотка якоря обертається, з'єднання з її зовнішнім ланцюгом здійснюється ковзним контактом за допомогою нерухливих електрографитових щіток. Ланцюг якоря - це головний ланцюг машини.

6.2 Одержання постійної е.д. с. якоря

Розглянемо одержання постійної напруги між щітками. Для цього зобразимо модель якоря між двома полюсами машини (мал. 3).

Нехай машина використовується як генератор і якір приводиться в обертання з постійною кутовою швидкістю Ω у зазначеному на мал. 3 напрямку, а зовнішній ланцюг відключений. У провідниках, що лежать у пазах на поверхні й лінії, що перетинає, нормальної до неї тридцятимільйонної магнітної індукції В у зазорі між полюсом і якорем, при обертанні якоря наводяться е.д. с.

e = Blv,

де l — довжина провідника (або якоря); ν - лінійна (окружна) швидкість провідників.

Ці провідники називають активними.

Сполучні провідники на торцевих поверхнях якоря (лобові частини, див. мал. 9 і 10) не перетинають магнітних ліній і в них е.д. з, не наводяться.

Застосувавши відоме правило правої руки для визначення напрямку е.д. с. в активних провідниках, переконаємося, що у всіх провідниках, що рухаються під однойменними полюсами, е.д. с. спрямовані однаково; (хрестики або крапки). Під північним і південним полюсами напрямку е.д. с. протилежні. У провідниках, що проходять геометричні нейтрали, е.д. с. не наводяться, тому що тут B = 0. Таким чином, при обертанні якоря в його провідниках наводяться змінні е.д.с.

Рис. 3. Модель якоря двохполюсної машини

Як вказувалося, обмотка якоря являє собою замкнутий контур (це легко бачити на зображенні найпростішої обмотки якоря - нескінченної спіралі на тороїді мал. 4, що застосовувалася в перших машинах).

Рис. 4. Найпростіша замкнута обмотка якоря і її схема

Однак струм у контурі не виникає, тому що алгебраїчна сума миттєвих значень е.д. с. е всіх послідовно з'єднаних провідників обмотки дорівнює нулю: обмотка виконується з рівним числом провідників під кожним полюсом, магнітні потоки полюсів однакові, полярність полюсів чергується.

Якщо встановити нерухливі електрографитові щітки для здійснення ковзному контакту із провідниками, що проходять геометричні нейтрали (див. мал. 3), то між щітками завжди будуть перебувати провідники обмотки з однаково спрямованими е.д. с. е, сума яких максимальна й постійна (при зрушенні щіток ця сума зменшується).

У дійсності щітки стосуються не провідників на поверхні якоря, а з'єднаних з ними відповідних пластин колектора (див. мал. 5 і 10). Колектор - циліндр, набраний з мідних пластин, ізольованих одна від інший прокладками, і закріплений на валу. Щітки встановлюють так, щоб вони стосувалися пластин колектора, з'єднаних із провідниками, що проходять геометричні нейтрали.

У результаті установки щіток і з'єднання їх із зовнішнім ланцюгом обмотка якоря стосовно його затискачів виявляється розділеної на паралельно з'єднані галузі з однаковими е.д.. с. Е и опорами R_а. Зі схематично зображеної на мал. 6, а обмотки якоря видно, що е.д.. с. якоря Е дорівнює е.д.. с. кожної з паралельно з'єднаних галузей. Внутрішній опір якоря R_я — це еквівалентний опір паралельно з'єднаних галузей обмотки. Звичайно воно мало (від часток ома у великих машин до одиниць ом у невеликих). Якщо до затискачів якоря генератора приєднати зовнішнє електричне коло, то е.д.. с. якоря створить у ланцюзі струм якоря (струм навантаження, робочий струм). У двигуні струм створюється зовнішнім джерелом і в якорі ділиться на струми паралельних галузей. Напрямок струму у всіх провідниках однієї паралельної галузі однаковому, протилежне напрямку струмів в іншій галузі.

Рис. 5. Колектор (розріз) Рис. 6. Схема заміщення обмотки якоря із двома паралельними галузями (а), зображення якоря за ДСТ (б)

Звичайно машина постійного струму виконується багатополюсної (див, мал. 7 і 8). При цьому зростає число пар щіток і паралельних галузей якоря.

На електричних схемах якір машини постійного струму зображують (ДЕРЖСТАНДАРТ 2.756-76) умовно у вигляді окружності із двома діаметрально розташованими щітками (мал. 6, б), а обмотку збудження - як індуктивний елемент.

6.3 Конструкція сучасної машини постійного струму

Вище була розглянута двохполюсна модель машини постійного струму. Сучасні машини мають не менш чотирьох полюсів. На мал. 7 показані основні елементи конструкції чотирьох полюсної машини, а на мал. 8 - розріз її магнітної системи.

Станина (6 на мал. 7) являє собою порожній сталевий циліндр, усередині якого укріплені основні полюси 5 магнітної системи з котушками обмотки збудження. Між основними перебувають вузькі додаткові полюси 4 зі своїми котушками

Станину машини відливають або згортають у циліндр із товстої листової сталі й зварюють по шві. Полюси роблять з м'якої сталі або набирають зі сталевих пластин. До торців станини прикріплені підшипникові щити 1 з підшипниками, у яких обертається вал якоря 3. На щиті з боку колектора встановлені щіткотримачі із щітками 2. Якір являє собою сталевий барабан, (мал. 9, )

Для зменшення втрат від вихрових струмів при перемагнічуванні його набирають із дисків електротехнічної сталі товщиною 0,5 мм (мал. 9, в). Барабанна обмотка відрізняється від спіральної обмотки на тороїді тим, що всі провідники укладаються витками на поверхні барабана і є активними. При цьому сторони витка розташовуються під різнойменними полюсами так, що е.д.. с. у них складається. На мал. 10 схематично показане укладання витків обмотки в пази і їхнє з'єднання з колекторними пластинами. Провідники (витки) обмотки, укладені між двома найближчими пластинами, утворять секцію обмотки (на мал. 10 показані тільки дві секції). Обмотка має кілька десятків секцій, стільки ж і колекторних пластин.

На корпусі машини є коробка із затискачами, куди виведені кінці обмотки якоря й обмотки збудження. На паспортному щитку вказуються номінальні параметри машини: електрична потужність, що віддається, генератора або механічна потужність двигуна, напруга, струм, частота обертання, спосіб порушення, к. п. буд., маса, номер машини й марка заводу-виготовлювача.

6.4 Принцип дії генератора

Нехай якір машини обертається в магнітному полі за допомогою якого-небудь приводного двигуна (мал. 11, а). Як вказувалося, у провідниках обертового якоря виникають е.д.. з, напрямок яких можна визначити за правилом правої руки

Якщо до затискачів якоря підключити приймач, то е.д.. с. якоря викличе в ланцюзі струм. Але з появою струму в провідниках якоря, що перебувають у магнітному полі, виникають електромагнітні сили. Визначимо їхній напрямок на мал. 11. Струми в провідниках якоря спрямовані також, як їх е. д. с. За правилом лівої руки знайдемо, що електромагнітні сили створюють момент, що протидіє обертанню якоря. Якщо швидкість якоря Ω постійна, те обертаючий момент приводного двигуна дорівнює протидіючому електромагнітному моменту генератора: M_вр=M_пр=M. Таким чином, для виробництва електричної енергії необхідно затрачати механічну енергію. У відповідності зі схемою заміщення ланцюга якоря генератора (мал. 11, б) запишемо рівняння її електричного стану:

E = U + R_яI_я

Помноживши це вираження на I_я, одержимо рівняння балансу потужності ланцюга якоря:

EI_я = UI_я + Rя²_я

Потужність приймача Р=UI_яй потужність, електричних втрат в обмотці якоря ΔP_эя = Rя²_ястановить електромагнітну потужність EI_я = P_эм, що розвивається генератором, трав'яну механічної потужності приводного двигуна:

EI_я = P_эм = MΩ = P_мех.

6.5 Принцип дії двигуна

Якщо подати на затискачі нерухливого якоря машини постійного струму напруга від якого-небудь джерела, то воно викличе струм у ланцюзі якоря (мал. 12). Нехай напрямок струмів у якорі буде таким, як на мал. 12, а. Визначивши напрямок електромагнітних сил, знайдемо, що вони створюють обертаючий момент. Машина працює як електродвигун. Якщо швидкість ротора Ω постійна, те обертаючий момент дорівнює протидіючому моменту опору механізму на валу: М_вр=М_пр=М. В обертовому в магнітному полі якорі наводиться е.д.. с. Визначивши напрямок е.д.. с. у провідниках якоря на мал. 12, а, знайдемо, що воно протилежно напрямку струму. Струм спрямований проти е.д.. с. Тому часто е.д.. с. якоря двигуна називають противо-е.д.с. Склавши схему заміщення ланцюга якоря двигуна (мал. 12, б), знайдемо, що прикладене до затискачів якоря двигуна напруга дорівнює сумі противо-е.д.с. і спадання напруги на внутрішньому опорі якоря:

U = E + R_яI_я

Звідси струм якоря двигуна

I_я = (U - E)/ R_я

Рівняння балансу потужності ланцюга якоря двигуна має вигляд

U I_я = E I_я + Rя²_я

Воно показує, що електрична потужність Р_э = U I_я, підводимо до двигуна від зовнішнього джерела, перетворюється в електромагнітну потужність P_эм = EI_я й потужність втрат в обмотці якоря. Електромагнітна потужність, як і в генераторі, дорівнює механічної потужності, що розвивається двигуном:

EI_я = P_эм = MΩ.

7. Позначення елементів і зображення схеми автоматизованого пуску двигуна

Електричні машини, апарати й пристрої керування ними на схемах зображуються умовними позначками (ДЕРЖСТАНДАРТ 2.756-76). У таблиці 3 наведені позначення релейно-контакторних елементів керування електроприводами, які використовуються на схемі пуску двигунів паралельного порушення у функції швидкості.

Таблиця 3. Позначення релейно-контактних елементів керування електроприводом

8. Автоматизація пуску двигуна у функції часу

Схема реостатного пуску двигуна постійного струму у функції часу наведена на малюнок 13. Витримка часу для виведення щаблів пускового реостата забезпечується реле часу 1РВ і 2РВ.

Натискання кнопки «Пуск» викликає підключення контактором Л Ланцюга якоря до мережі й відключення реле 1РВ, що розмикає свій контакт 1РВ, відключаючи котушки контакторів прискорення 1У и 2У. Виникає пусковий струм, обмежений опором реостата R₁+R₂. Спадання напруги на резисторі R₁від пускового струму приводить до спрацьовування реле часу 2РВ, що розмикає свій контакт 2РВ.

З певною витримкою часу замикається контакт 1РВ, що включає контактор прискорення 1В, що замикає щабель Реостата разом з реле 2РВ. При відпадінні якоря 2РВ його контакт 2РВ із витримкою часу замикається, включаючи контактор прискорення 2У. Контакт 2У замикає щабель реостата R₂— двигун виходить на природну механічну характеристику.

9. Електричні реле

Реле - пристрій, у якому при досягненні певного значення вхідної величини вихідна величина змінюється стрибком - вихідні контактори або замикаються - у керованому ланцюзі з'являється струм (напруга), або розмикається. Реле застосовують у ланцюгах керування зі струмом менш 1А. Вхідною величиною реле можуть бути механічні, теплові, електричні й інші зовнішні впливи.

Широке поширення одержали електричні реле (електромагнітні, магнітоелектричні, електродинамічні, індукційні). Які реагують на зміну струму (напруги) в обмотці керування.

Електронні реле виконують безліч функцій, пов'язаних з контролем режимів роботи важливих елементів електричного кола - генераторів, трансформаторів, ліній передач, різних приймачів.

При порушенні нормального режиму того або іншого елемента відповідне реле пускає в хід апаратуру, що або відновлює нормальний режим роботи, або відключає ушкоджена ділянка. Такі реле - реле захисту - можуть «спостерігати» за струмом у ланцюзі (фотополяриметр захист), напругою на окремих ділянках (захист по напрузі), зміною потужності (реле потужності), зміною частоти струму й т.д. Залежно від значення або напрямку вхідної величини, що приводить до спрацьовування реле, розрізняють реле: максимальні, мінімальні, спрямовані дії, диференціальні й ін.

Теплове реле складається з біметалічної пластини, що перебуває в тепловому полі нагрівача, включеного послідовно з контрольованим об'єктом (приймачем), і контактів. Якщо контрольований струм більше припустимого, то через якийсь час біметалічна пластина під дією надлишкової теплоти нагрівача зігнеться, тому що її нижній шар розширюється (подовжується) більше, ніж верхній. Пластина звільняє засувку, що під дією пружини повертається, і контакти розмикаються.

Важливим параметром реле є чутливість, тобто потужність Ру в ланцюзі керування, при якій спрацьовує реле. У високочутливих реле 10 мВт, реле нормальної чутливості спрацьовують при Ру =1...5…5 Вт, реле низької чутливості - при Ру =10...20 Вт.

Висновок

У даній курсовій роботі із призначення привода визначається тип двигуна. Обраний двигун працює в тривалому режимі зі змінним навантаженням відповідно до навантажувальної діаграми. Вибір двигуна здійснюється по середній потужності навантаження без перевірки його по нагріванню, що дорівнює 23.6 кВт, напруга на якорі - 440У, КПД - 83%, чистота обертання - 1400 про/хв.

Література

1. Зайдель Х. Э., Коген-Далин В. В., Кримов В.В. і ін. Електротехніка. – К., 2003

2. Справочник по электрическим машинам. Под. ред. Копылова. – М., 1997

3. Семенов Н. Н. Про деякі проблеми хімічної кінетики й реакційної здатності. – К., 1958.

4. Райзер Ю. П. Фізика газового розряду. – К., 1987