Основы проектирования автоматизированных электроприводов производственных механизмов

Глава 11. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ
11.1. Общие требования, предъявляемые к электроприводу
Производственные машины и механизмы составляют основу большинства технологических процессов, используемых в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте, в коммунальном хозяйстве – во всех сферах человеческой деятельности. Большинство производственных машин оснащено автоматизированным электроприводом и устройствами электроавтоматики.

Технологические процессы разнообразны по своему содержанию и областям использования. Также разнообразны производственные машины и механизмы, осуществляющие различные технологические процессы. Однако можно выделить группы машин и механизмов производственного назначения, характеризующиеся общностью выполняемых операций и принципом действия.

К таким машинам относятся:

• 
  турбомеханизмы: насосы, вентиляторы, турбокомпрессоры;
  
• 
  грузоподъемные машины: краны, лифты, шахтные подъемники и другие;
  
• 
  Транспортные машины: конвейеры, транспортеры, эскалаторы и другие;
  
• 
  Металлообрабатывающие станки;
  
• 
  машины возвратно-поступательного движения: поршневые насосы и компрессоры, прессы;
  
• 
  экскаваторы;
  
• 
  прокатные станы.
  

Здесь перечислены производственные машины, которые наиболее широко применяются в основных отраслях промышленности и поэтому могут быть названы типовыми производственными механизмами.

Основное влияние на режим работы электропривода и на требования, предъявляемые к нему, оказывает характер технологического процесса. По характеру технологического процесса все машины и механизмы можно разделить на две большие группы: механизмы непрерывного действия и механизмы циклического действия. В первой группе технологический процесс протекает непрерывно, во второй – рабочий процесс состоит из однотипных повторяющихся циклов.

Электроприводы механизмов непрерывного действия характеризуются редкими пусками, не требуют, как правило, реверсирования и точной остановки. Электроприводы механизмов циклического действия – частыми пусками, реверсами, необходимостью регулирования скорости и точной остановки.

Требования к электроприводу формируются отдельно для каждого производственного механизма или для группы идентичных механизмов. Но есть общие требования, которые предъявляются к электроприводам всех механизмов. К таким требованиям относятся:

1. 
   Обеспечение заданного технологического процесса и требуемой производительности.
   
2. 
   Обеспечение требуемых условий пуска и торможения производственных механизмов, а при необходимости – реверсирования и регулирования скорости.
   
3. 
   Ограничение перегрузок, динамических и ударных.
   
4. 
   Принципы управления электроприводом (ручное, автоматическое, программное и т.п.).
   
5. 
   Требования по надежности, которые, как правило, отражаются в заданном времени наработки на отказ.
   
6. 
   Требования по конструктивной защищенности электрооборудования (степени защиты оболочек), по условиям окружающей среды, климатическому исполнению.
   
7. 
   Экономические показатели; к которым следует относить стоимость электропривода и затраты электроэнергии на его работу.
   
8. 
   Экологические требования; к ним относят уровень шума и ограничение влияния электропривода на питающую сеть, связанное с искажениями, вызванными высшими гармониками тока.
   

В требованиях указываются также параметры электроснабжения (величина напряжения, частоты, допустимые отклонения).
11.2. Последовательность проектирования электропривода
Проектирование электропривода производится обычно в следующей последовательности:

• 
  разработка требований, предъявляемых к электроприводу;
  
• 
  расчет статических нагрузок и построение нагрузочной диаграммы и тахограммы движения рабочего органа производственного механизма;
  
• 
  выбор системы электропривода на основании предварительного технико-экономического анализа;
  
• 
  выбор безредукторного или редукторного привода с определением передаточного числа механической передачи;
  
• 
  выбор типа приводного электродвигателя;
  
• 
  предварительный выбор электродвигателя по мощности и номинальной скорости вращения;
  
• 
  расчет динамических нагрузок и построение нагрузочной диаграммы электропривода;
  
• 
  проверка электродвигателя на нагрев, перегрузочную способность и по условиям пуска;
  
• 
  выбор и расчет полупроводниковых преобразователей для питания электродвигателя;
  
• 
  разработка функциональной и принципиальной схем электропривода;
  
• 
  составление структурной схемы и расчет регуляторов системы автоматического регулирования;
  
• 
  расчет или моделирование переходных процессов электропривода.
  

11.3. Нагрузочные диаграммы и тахограммы
Основой для выбора электропривода и расчета его мощности являются нагрузочные диаграммы и диаграмма скорости (тахограмма) (рис.11.1). Нагрузочной диаграммой производственного механизма называется зависимость приведенного к валу двигателя момента сопротивления движению М_с (статического момента) от времени М_с=f(t). Эта диаграмма рассчитывается на основе данных, характеризующих работу машины (механизма).

Нагрузочная диаграмма электропривода – это зависимость момента, развиваемого двигателем от времени. Она рассчитывается как алгебраическая сумма статического и динамического моментов М=М_с+М_дин=f(t). Тахограмма – это зависимость скорости рабочего органа машины или вала двигателя от времени .

Реальные нагрузочные диаграммы могут существенно отличаться от расчетных. Это связано с различной загрузкой машин, опытом машиниста и многими другими факторами. Однако всегда можно выделить наиболее вероятные производственные циклы работы механизма, по которым и следует производить расчет элементов электропривода.

Пример 11.1. Построить тахограмму движения и нагрузочные диаграммы механизма и привода подъема башенного крана. Цикл работы состоит из подъема груза массой 500 кг и спуска пустого крюка. Кпд передачи 0,9, диаметр барабана 0,6 м, номинальная скорость двигателя 60 1/с, скорость подъема 1 м/с, скорость спуска крюка 2 м/с (при ослабления поля двигателя). Момент инерции якоря двигателя и механизма (без груза), приведенный к валу двигателя – 0,2 кгм², высота подъема 20 м.

Решение.

1. 
   Найдем передаточное отношение от вала барабана к валу двигателя
   

.